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Was ist INS? / Was ist ein inertiales Navigationssystem?

Industrie Artikel 5. Mai 2024

Was ist ein Trägheitsnavigationssystem?

Was ist ein Inertialsystem? Was ist ein inertiales Navigationssystem? Wofür steht INS? Das sind gute Fragen, die man sich stellen sollte, da sie für das tägliche Leben relevant sind. Zum Beispiel, wenn Sie versuchen, mit dem Auto zur Arbeit zu navigieren. In diesem Blog helfen wir Ihnen bei der Beantwortung dieser Fragen, aber wir fangen vernünftigerweise ganz am Anfang an...

Was ist ein INS?

Trägheitsnavigationssysteme gibt es in allen Formen und Größen. Eines haben sie jedoch gemeinsam: Sie verwenden mehrere Trägheitssensoren und eine Art zentrale Verarbeitungseinheit, um die von diesen Sensoren stammenden Messungen zu verfolgen.

Ein INS verwendet eine Reihe von Technologien, aber typischerweise gehören dazu:

 

+ Trägheitsmessgerät (IMU)

- Beschleunigungsmessgeräte

- Gyroskope

+ GNSS-Empfänger

+ Zentrale Verarbeitungseinheit (CPU)

RT3000 v4 Produktbild 1
RT3000 v4 GNSS/INS

Wir werden uns gleich ansehen, wie ein INS tatsächlich funktioniert, aber zunächst einmal ist es wichtig zu wissen, wie es sich vom GPS unterscheidet, mit dem Sie wahrscheinlich besser vertraut sind.

Schalten Sie einen GPS-Empfänger ein und - vorausgesetzt, dass alles korrekt funktioniert - wird er nach kurzer Zeit eine Positionsmessung erzeugen. Ignoriert man die Ungenauigkeiten des GPS-Empfängers, so ist die vom Empfänger erzeugte Positionsmessung recht spezifisch. Sie besagt "Sie befinden sich auf diesem Breiten- und Längengrad" - mit anderen Worten, sie gibt uns eine absolute Position unter Verwendung eines bekannten Koordinatensystems. Inertiale Navigationssysteme funktionieren nicht auf diese Weise. In ihrem Fall ist die Messung, die sie erzeugen, relativ zu ihrer letzten bekannten Position. Selbst nachdem ein inertiales Navigationssystem mehrere Minuten lang eingeschaltet war, kann es nicht sagen, "Sie befinden sich auf diesem Breiten- und Längengrad", aber es kann sagen, "Sie haben sich nicht von Ihrem Ausgangspunkt entfernt".

Warum verwenden Menschen also überhaupt Trägheitsnavigationssysteme? Wenn sie Ihnen nicht sagen können, wo Sie sich befinden, wie konnten sie den Menschen zum Mond navigieren, warum stürzen U-Boote nicht ständig ab, und wie finden Flugzeuge und Raketen ihren Weg? Zum Glück ist die Antwort auf diese Frage einfach. Ein Trägheitsnavigationssystem berechnet, wo es sich im Verhältnis zu seinem Ausgangspunkt befindet - wenn Sie also dem INS sagen, wo es gestartet ist, kann es anhand seiner eigenen Messungen leicht herausfinden, wo es sich jetzt befindet. Auf diese Weise navigieren Raumschiffe, U-Boote, Flugzeuge und Raketen mit einem INS erfolgreich, weil sie wissen, wo sie gestartet sind.

Nachdem wir nun diskutiert haben, was ein Trägheitsnavigationssystem ist, lautet die nächste logische Frage Wie funktioniert ein INS eigentlich?

Um Trägheitsnavigationssysteme vollständig zu verstehen, ist es nützlich, auch Folgendes zu wissen INS-Bezugsrahmenzu kennen, damit Sie die auf der x-, y- und z-Achse registrierten Werte genau interpretieren können. Sie werden auch mehr über die Sensortypen wissen wollen, die in den meisten Trägheitsnavigationssystemen verwendet werden - Beschleunigungsmesser und Gyroskope. Um zu verstehen, wie ein Trägheitsnavigationssystem seine Position im dreidimensionalen Raum bestimmt, müssen Sie auch wissen, wie Koppelnavigation (dead reckoning). Und um die Stärken und Schwächen von INS zu verstehen, müssen Sie auch etwas über Drift.

 

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Inertiale Navigationstechnologien, Sensoren und mehr

Wie bereits erwähnt, setzt sich ein Trägheitsnavigationssystem aus mehreren verschiedenen Technologien und Sensoren zusammen. Die Trägheitsmesseinheit (IMU) enthält eine Reihe von Beschleunigungsmessern und Gyroskopen, die eine breite Palette von Trägheitsmessungen wie Neigung/Rolle und Beschleunigung liefern. Außerdem ist ein GNSS-Empfänger enthalten, der Positionsaktualisierungen und eine zentrale Verarbeitungseinheit zur Verwaltung der Daten liefert. In diesem Abschnitt werden wir uns die Technologien und Sensoren, aus denen ein INS besteht, genauer ansehen.

 

GNSS-Empfänger

Ein GNSS-gestütztes Trägheitsnavigationssystem verwendet Positionsaktualisierungen von einem GNSS-Empfänger, um die von der bordseitigen Trägheitsmesseinheit erstellten Messungen zu ergänzen. Ein GNSS-Empfänger verfolgt Satellitensignale von mehreren Satellitenkonstellationen. Die vier wichtigsten Satellitenkonstellationen sind Galileo, GLONASS, GPS und BeiDou.

Durch die Kombination der Satelliteneingaben mit den Daten der IMU ist ein OxTS GNSS/INS in der Lage, eine Echtzeit-Positionsgenauigkeit im Zentimeterbereich bei hohen Aktualisierungsraten und mit Orientierung und Beschleunigung in allen drei Achsen zu liefern.

Erfahren Sie hier mehr über GNSS-Empfänger

 

INS-Referenzrahmen

Vor einem Datenerfassungsprojekt ist es für ein Trägheitsnavigationssystem wichtig zu wissen, wie es sich im 3D-Raum orientiert, d. h. wie sein "Bezugsrahmen" aussieht. Die eingebaute IMU liefert Informationen über die Bewegung und Ausrichtung des INS, doch bevor sie dies genau tun kann, muss sie zunächst wissen, wo oben, unten, links und rechts ist.

Ein OxTS Trägheitsnavigationssystem ist in der Lage, Bewegungen von einem Bezugssystem in ein anderes umzuwandeln, solange es weiß, in welchem Bezugssystem es sich zu Beginn befindet. Dies geschieht im Allgemeinen in der Konfigurationsphase.

Erfahren Sie hier mehr über INS-Referenzrahmen

 

Beschleunigungsmesser

Beschleunigungssensoren sind einer der Sensortypen, die in allen OxTS Trägheitsnavigationssystemen verwendet werden. Wie der Name schon sagt, messen sie nur die Beschleunigungsrate. Andere Messungen, wie z. B. die Geschwindigkeit, können jedoch durch Multiplikation der Beschleunigung mit anderen Faktoren, wie z. B. der Zeit, berechnet werden.

Ein Beschleunigungsmesser ist in einem Trägheitsnavigationssystem nützlich, weil er dem Benutzer wichtige Informationen über die Geschwindigkeit eines Fahrzeugs, die zurückgelegte Strecke und - was in der Automobilprüfung wichtig ist - die Zeit bis zum Aufprall liefern kann.

Es gibt eine Reihe verschiedener Arten von Beschleunigungssensoren, aber OxTS Inertiale Navigationssysteme verwenden MEMS-Beschleunigungssensoren (micro-electromechanical system).

Hier erfahren Sie mehr über Beschleunigungssensoren

 

Gyroskope

Ein Gyroskop oder Kreisel ist ein Sensor in einem Trägheitsnavigationssystem, der die Drehung des Geräts misst.

OxTS In Trägheitsnavigationssystemen werden MEMS-Kreisel (mikroelektromechanische Systeme) verwendet. Es gibt viele verschiedene Arten von MEMS-Gyroskopen, aber OxTS Trägheitsnavigationssysteme verwenden solche, die die Winkelgeschwindigkeit in °/s messen.

Ähnlich wie ein Beschleunigungsmesser sagt auch ein Gyroskop dem INS nicht sofort, in welche Richtung es ausgerichtet ist, aber solange es diese Information hat, kann es seine Ausrichtung von da an berechnen.

Hier erfahren Sie mehr über Kreiselgeräte

 

Dead Reckoning

Die Trägheitsmesseinheit in einem OxTS Trägheitsnavigationssystem enthält drei Beschleunigungsmesser und drei Gyroskope. Die Verwendung von jeweils drei dieser Geräte ermöglicht es dem Gerät, seine Position im 3D-Raum mit Hilfe eines als Koppelnavigation bekannten Verfahrens zu verstehen und zu verfolgen.

Das Trägheitsnavigationssystem errechnet seine Position im 3D-Raum, indem es einfach die Messwerte der eingebauten Gyroskope und Beschleunigungsmesser, die einer Kraft ausgesetzt sind, zu seiner letzten bekannten Position addiert. Daraus kann es ableiten, wo es sich gerade befindet.

Erfahren Sie hier mehr über die Funktionsweise von Dead Reckoning

 

Drift

Wie die meisten Dinge hat auch ein Trägheitsnavigationssystem seine Stärken und Schwächen. Ein Trägheitsnavigationssystem arbeitet mit Positionsaktualisierungen von einem GNSS-Empfänger zur Unterstützung der Messungen der IMU. Wenn keine zusätzliche Hilfsquelle zur Verfügung steht, arbeitet das INS 'un-aided' und verwendet nur die IMU-Messungen. Bei "ungestützter" Positionsbestimmung kommt es aufgrund der Ansammlung kleiner Fehler in den Gyroskop- und Beschleunigungsmessern zu einer Positionsdrift.

In Abwesenheit von GNSS können andere Hilfsquellen in die Navigationsmaschine integriert werden, um die Positionsdrift einzuschränken. Mehr über die Arbeit, die OxTS leistet, um zusätzliche Hilfsquellen zu nutzen, erfahren Sie hier - OxTS Generische Hilfsdaten (GAD) Schnittstelle

Erfahren Sie hier mehr über Drift

 

Wie funktionieren Trägheitsnavigationssysteme?

Wir haben also besprochen, was ein INS ist, aber wie funktioniert es? Ein Trägheitsnavigationssystem ist ein komplexes Gerät. Es umfasst mehrere Technologien, die es dem Benutzer ermöglichen, seine Position im 3D-Raum genau zu bestimmen. Das Herzstück des INS ist die IMU. Dabei handelt es sich um eine Sammlung von Beschleunigungsmessern und Gyroskopen, die dem Benutzer genaue Messungen der Bewegung und Ausrichtung des Geräts liefern.

Durch die Integration eines GNSS-Empfängers kann das System sicherstellen, dass das System nicht driftet. Um die Positionsabweichung in Abwesenheit von GNSS weiter einzuschränken, können andere Technologien und Sensoren eingesetzt werden.

Vereinfacht ausgedrückt, funktioniert ein INS, indem es die auf es einwirkende Kraft erkennt. Es ermittelt dann eine neue relative Position auf der Grundlage eines bekannten Ausgangspunkts, indem es die Geschwindigkeit und die zurückgelegte Strecke berechnet.

Das INS ist dann in der Lage, Aktualisierungen von Lage, Position und Geschwindigkeit zu liefern.

 

Einstellung

Die Messung der Fluglage ist für die Positionierung in vielen Anwendungen wichtig, z. B. bei Fahrzeugtests und Kartierungen. Die Fluglage liefert Informationen über die Position eines Objekts in einer 3D-Umgebung, nämlich Roll, Nick und Gier. Die Messungen werden in Bezug auf eine horizontale Ebene und einen nach Norden ausgerichteten Referenzrahmen berechnet.

 

Geschwindigkeit und Position

Wie bereits in diesem Beitrag erwähnt, misst ein INS nicht direkt die Geschwindigkeit, da die Beschleunigungsmesser nur die Beschleunigung messen. Das bedeutet jedoch nicht, dass ein INS keine Geschwindigkeit messen kann. Indem es aufzeichnet, wie stark ein Objekt beschleunigt wird und wie lange diese Beschleunigung anhält, kann das INS leicht die Geschwindigkeit ermitteln, indem es die Beschleunigung mit der Zeit multipliziert.

Durch ein Verfahren, das als Koppelnavigation bekannt ist, kann ein nicht unterstütztes INS seine Position dennoch genau berechnen. Wenn es seine letzte bekannte Position kennt und weiß, wohin es steuert und wie lange es braucht, um dorthin zu gelangen, kann das INS seine neue geschätzte Position berechnen. Es ist jedoch wichtig zu berücksichtigen, dass ein nicht unterstütztes INS mit der Zeit driftet.

OxTS Trägheitsnavigationssysteme

OxTS stellen Trägheitsnavigationssysteme mit unterschiedlichen Genauigkeitsgraden und Formfaktoren her, die sie für eine Vielzahl von Anwendungen ideal machen.

Jedes Gerät wird mit unserer kostenlosen Software NAVsuite geliefert, mit der Sie Ihre INS-Daten konfigurieren, überwachen, nachbearbeiten und analysieren können. Die Geräte können mit einer Reihe von optionalen Software-Tools und Funktionen ergänzt werden, die es Ihnen ermöglichen, ein auf Ihre spezifischen Anforderungen zugeschnittenes Gerät zu erstellen.

 

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