What is an Inertial Navigation System

慣性航法システムとは？

慣性航法とは？慣性航法システムとは？INSとは何の略ですか？

これらは日常生活に関連することなので、良い質問である。例えば、車で通勤するときなど。このブログでは、このような疑問に答える手助けをするつもりだが、まずは、賢明にも、冒頭から始めることにしよう...。

慣性航法システムにはさまざまな形や大きさがある。しかし、共通しているのは、複数の慣性センサーと、それらのセンサーからの測定値を追跡するための何らかの中央処理装置を使用していることです。INSは様々な技術を使用しますが、一般的には以下のようなものがあります：

+ 慣性計測ユニット（IMU）

- 加速度計

- ジャイロスコープ

+ GNSSレシーバー

+ 中央演算処理装置（CPU）

INSが実際にどのように機能するのかについては後ほど説明するが、今のところ最も重要なことは、GPSとの違いである。

GPSレシーバーのスイッチを入れると、すべてが正しく動作していると仮定して、しばらくして位置測定値が生成される。GPSが持っている不正確さを無視すると、レシーバーが生成する位置測定はかなり具体的である。それは次のようなものだ。あなたはこの緯度とこの経度にいる言い換えれば、既知の座標系を使って絶対位置を教えてくれる。慣性航法システムはそうはいかない。慣性ナビゲーション・システムが生成する測定値は、最後に認識された位置からの相対的なものだ。そのため、慣性航法システムを数分間オンにした後でも、'0'とは言えない。あなたはこの緯度とこの経度にいる'、でも言えるのは'あなたはスタート地点から動いていない'.

では、なぜ人々は慣性航法システムを使うのだろうか？もし慣性航法システムが自分の位置を教えてくれないのなら、どうやって人類を月まで航行させることができたのだろう？どうして潜水艦はいつも墜落しないのだろう？ありがたいことに、これらの疑問に対する答えは簡単だ。慣性航法システムは、出発点から現在地を割り出しているので、INSに出発点を教えれば、それ自身の測定値に基づいて現在地を簡単に割り出すことができる。宇宙船、潜水艦、航空機、ミサイルがINSを使用して航行に成功しているのはこのためです。

さて、慣性航法システムとは何かについて説明してきたが、次の論理的な質問は次の通りだ。 INSは実際にどのように機能するのか？

慣性航法システムを完全に理解するためには、次のことも知っておくと便利である。 INSの参照フレームX軸、Y軸、Z軸に登録された値を正確に解釈できるようにします。また、ほとんどの慣性航法システムで使用されているセンサーの種類についても知っておくとよいでしょう。加速度計そしてジャイロスコープ.慣性航法システムがどのように3次元空間内の位置を把握しているかを理解するには、次のことも知っておく必要があります。死算.そして、INSの長所と短所を理解するためには、次のことも知っておく必要がある。ドリフト。

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慣性航法技術、センサーなど

すでに述べたように、慣性航法システムは、次のようなものである。 RT3000 v4 は、いくつかの異なるテクノロジーとセンサーで構成されています。慣性計測ユニット（IMU）には、ピッチ／ロールや加速度などの幅広い慣性計測を提供する加速度計とジャイロスコープが多数搭載されている。また、GNSSレシーバーも含まれており、位置の更新と中央処理ユニットによるデータ管理を行います。このセクションでは、INSを構成する技術とセンサーについて詳しく見ていきます。

1) GNSSレシーバー

GNSS補助慣性航法システムは、GNSS受信機からの位置更新を使用して、搭載された慣性測定ユニットによって作成された測定値を補足します。GNSS受信機は、複数の衛星コンステレーションからの衛星信号を追跡します。4つの主要衛星コンステレーションは、Galileo、GLONASS、GPS、BeiDouです。

衛星からの入力とIMUからのデータをブレンドすることで、OXTS GNSS/INSは、高い更新レートで、3軸すべての方位と加速度で、センチメートルレベルの位置精度をリアルタイムで提供することができます。

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2) 加速度センサー

加速度計は、すべてのOXTS慣性航法システムに使用されているセンサーのひとつです。その名が示すように、加速度計は加速度のみを測定します。しかし、速度などの他の測定値は、加速度に時間などの他の要素を乗じることで計算することができます。

加速度センサーは、慣性ナビゲーション・システムにおいて有用である。なぜならば、加速度センサーは、自動車の速度、走行距離、そして自動車試験において重要なことである衝撃までの時間に関する重要な情報をユーザーに提供するのに役立つからである。

加速度センサーには様々な種類がありますが、OXTSの慣性航法システムは微小電気機械システム（MEMS）加速度センサーを使用しています。

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3) ジャイロスコープ

ジャイロスコープ（ジャイロ）は、慣性航法システムに使用されるセンサーで、デバイスの回転を測定する。

OXTS慣性航法システムは、微小電気機械システム（MEMS）ジャイロスコープを使用しています。MEMSジャイロスコープにはさまざまな種類がありますが、OXTS慣性航法システムは角速度を°/sで測定するものを使用しています。

加速度センサーの働きと同じように、ジャイロセンサーはINSの向きを即座に教えてくれるわけではないが、この情報さえあれば、それ以降はINSの向きを知ることができる。

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4) INSの参照フレーム

データ収集プロジェクトの前に、慣性航法システムにとって重要なのは、3D空間における自分の向き、つまり「参照フレーム」を理解することです。搭載されたIMUは、INSの動きと方向に関する情報を提供しますが、これを正確に行う前に、まず上下左右の方向を知る必要があります。

OXTS慣性航法システムは、最初にどの参照フレームにいるかがわかっていれば、ある参照フレームから別の参照フレームに動きを変換することができます。これは通常、設定段階で行われます。

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5) 死の再会

OXTS慣性航法システム内の慣性計測ユニットには、3つの加速度計と3つのジャイロスコープが含まれています。それぞれ3つずつ使用することで、デバイスは推測航法として知られるプロセスを使用して3D空間内の位置を把握し、追跡することができます。

慣性ナビゲーション・システムは、搭載されたジャイロスコープと加速度計のどれに力が加わっても、その測定値を最後に確認した位置に加算するだけで、3D空間での位置を計算する。その結果、現在地がわかる。

デッドレコニングの仕組みについてはこちら

6) ドリフト

ほとんどのものがそうであるように、慣性航法システムにも長所と短所があります。慣性航法システムは、GNSS受信機からの位置更新を使用して、IMUからの測定値を補助することで機能します。追加の補助ソースが利用できない場合、INSは「補助なし」となり、IMU測定値のみを使用します。非補助」の場合、ジャイロスコープと加速度計の測定値に小さな誤差が蓄積されるため、位置ドリフトが発生します。

GNSSがない場合、位置ドリフトを抑制するために他の補助ソースをナビゲーションエンジンに統合することができます。OXTSが行っている他の補助ソースを活用するための作業については、こちらをご覧ください。 OXTS汎用補助データ（GAD）インターフェース

ドリフトについて詳しくはこちら

慣性航法システムの仕組み

INSとは何かについて説明してきましたが、どのように機能するのでしょうか？慣性航法システムは複雑な装置である。ユーザーが3D空間内の自分の位置を正確に把握できるように、複数のテクノロジーで構成されています。INSの中心はIMUです。加速度センサーとジャイロスコープの集合体で、デバイスの動きと向きに関する正確な測定値をユーザーに提供します。

GNSS受信機との統合により、システムはドリフトしないことを保証できる。GNSSがない場合の位置ドリフトをさらに抑制するために、他の技術やセンサーを使用することもできる。

最も単純に言えば、INSはそれに作用する力を理解することで機能する。そして、速度と移動距離を計算することで、既知の出発点に基づく新しい相対位置を提供する。

そして、INSは姿勢、位置、速度の最新情報を提供することができる。

姿勢

姿勢計測は、自動車試験やマッピングを含む多くのアプリケーションにおいて、測位に重要です。姿勢は、3D環境における物体の位置（ロール、ピッチ、ヨー）に関する情報を提供します。測定値は、水平面と真北の基準フレームを基準として計算されます。

速度と位置

加速度計は加速度しか測定しないため、INSは速度を直接測定することはできません。しかし、INSが速度を測定できないわけではない。物体にどれだけの加速度があり、それがどれだけの時間続いたかを記録することで、INSは加速度に時間をかけることで簡単に速度を割り出すことができる。

デッドレコニング（推測航法）と呼ばれるプロセスにより、誘導されていないINSでも正確な位置を計算することができます。最後の位置を把握し、どこに向かっているのか、そこまでの所要時間を知ることで、INSは新しい推定位置を計算することができます。しかし、補助なしのINSは時間とともにドリフトすることを考慮に入れることが重要です。