Trägheitsnavigationssystem

Ein Trägheitsnavigationssystem oder inertiales Navigationssystem (engl. Inertial Navigation System), kurz INS, ist ein 3-D-Messsystem mit einer inertialen Messeinheit (engl. Inertial Measurement Unit, IMU) als zentraler Sensoreinheit mit mehreren Beschleunigungs- und Drehratensensoren. Durch Integration der von der IMU gemessenen Beschleunigungen und Drehraten wird in einem INS laufend die räumliche Bewegung des Fahr- oder Flugzeugs und daraus die jeweilige geografische Position bestimmt. Der Hauptvorteil eines INS ist, dass dieses referenzlos betrieben werden kann, also unabhängig von jeglichen Ortungssignalen aus der Umgebung. Nachteilig ist die unvermeidliche Drift der Sensoren. ⓘ

Der Begriff Trägheitsnavigation leitet sich vom Prinzip der Massenträgheit ab. Die inertiale Messeinheit mit ihren Beschleunigungs- und Drehratensensoren berechnet jede Lageänderung des Fahr- oder Flugzeugs aus den Beschleunigungen der internen quantitativ bekannten Massen, auch seismische Massen genannt. ⓘ

Wesentliche Herausforderungen an die Konstruktion eines INS sind

• die immer erforderliche doppelte Integration der Beschleunigungs-Messwerte und einfache Integration der Winkelgeschwindigkeits-Messwerte,
• die vor allem bei sehr einfachen Sensoren stark vorhandene Sensordrift und
• die mathematisch bedingte Kreuzkopplung der orthogonalen Sensorachsen,

deren Fehlereinfluss sich im Laufe einer Messung kumulativ auswirkt. Der angezeigte Standort "kreist" auf einer größer werdenden Ellipse um den wahren Standort. Die Umlaufdauer wird durch die Schuler-Periode beschrieben. ⓘ

In der Praxis koppelt man ein INS mit anderen Navigationssystemen, die eine andere Fehlercharakteristik aufweisen. Beispielsweise liefert eine Kombination mit einem globalen Navigationssatellitensystem (GNSS) absolute Positionsangaben im Sekundenabstand, während das INS vor allem beim Ausbleiben von Signalen die Zwischenwerte interpoliert. ⓘ

Eine Trägheitsnavigationssteuerung aus den 1950er Jahren, die am MIT entwickelt wurde. ⓘ

Ein Trägheitsnavigationssystem (INS) ist ein Navigationsgerät, das einen Computer, Bewegungssensoren (Beschleunigungsmesser) und Rotationssensoren (Gyroskope) verwendet, um die Position, die Ausrichtung und die Geschwindigkeit (Bewegungsrichtung und -geschwindigkeit) eines sich bewegenden Objekts kontinuierlich durch Koppelnavigation zu berechnen, ohne dass externe Referenzen benötigt werden. Häufig werden die Trägheitssensoren durch einen barometrischen Höhenmesser und manchmal durch magnetische Sensoren (Magnetometer) und/oder Geschwindigkeitsmessgeräte ergänzt. INSs werden bei mobilen Robotern und Fahrzeugen wie Schiffen, Flugzeugen, U-Booten, Lenkraketen und Raumfahrzeugen eingesetzt. Andere Bezeichnungen für Trägheitsnavigationssysteme oder eng verwandte Geräte sind Trägheitsführungssystem, Trägheitsinstrument, Trägheitsmesseinheit (IMU) und viele andere Varianten. Ältere INS-Systeme verwendeten im Allgemeinen eine Inertialplattform als Befestigungspunkt am Fahrzeug, und die Begriffe werden manchmal als synonym betrachtet. ⓘ

Vergleich der Genauigkeit der verschiedenen Navigationssysteme. Der Radius des Kreises gibt die Genauigkeit an. Ein kleinerer Radius entspricht einer höheren Genauigkeit. ⓘ

Überblick

Bei der Trägheitsnavigation handelt es sich um eine eigenständige Navigationstechnik, bei der die von Beschleunigungsmessern und Kreiseln gelieferten Messwerte verwendet werden, um die Position und Ausrichtung eines Objekts in Bezug auf einen bekannten Ausgangspunkt, die Ausrichtung und die Geschwindigkeit zu verfolgen. Trägheitsmessgeräte (IMUs) enthalten in der Regel drei orthogonale Gyroskope und drei orthogonale Beschleunigungsmesser, die die Winkelgeschwindigkeit bzw. die lineare Beschleunigung messen. Durch die Verarbeitung der Signale dieser Geräte ist es möglich, die Position und Ausrichtung eines Geräts zu verfolgen. ⓘ

Die Trägheitsnavigation wird in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, darunter die Navigation von Flugzeugen, taktischen und strategischen Raketen, Raumfahrzeugen, U-Booten und Schiffen. Sie ist auch in einigen Mobiltelefonen für die Ortung und Verfolgung von Mobiltelefonen eingebaut. Jüngste Fortschritte bei der Konstruktion von mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) haben die Herstellung kleiner und leichter Trägheitsnavigationssysteme ermöglicht. Diese Fortschritte haben das Spektrum möglicher Anwendungen auf Bereiche wie die Bewegungserfassung von Menschen und Tieren ausgeweitet. ⓘ

Ein Trägheitsnavigationssystem umfasst mindestens einen Computer und eine Plattform oder ein Modul mit Beschleunigungsmessern, Gyroskopen oder anderen Bewegungsmessgeräten. Das INS erhält zunächst seine Position und Geschwindigkeit von einer anderen Quelle (einem menschlichen Bediener, einem GPS-Satellitenempfänger usw.) zusammen mit der anfänglichen Ausrichtung und berechnet anschließend seine eigene aktualisierte Position und Geschwindigkeit durch Integration der von den Bewegungssensoren erhaltenen Informationen. Der Vorteil eines INS ist, dass es keine externen Referenzen benötigt, um seine Position, Orientierung oder Geschwindigkeit zu bestimmen, sobald es initialisiert wurde. ⓘ

Ein INS kann eine Änderung seiner geografischen Position (z. B. eine Bewegung nach Osten oder Norden), eine Änderung seiner Geschwindigkeit (Geschwindigkeit und Richtung der Bewegung) und eine Änderung seiner Ausrichtung (Drehung um eine Achse) erkennen. Dies geschieht durch Messung der linearen Beschleunigung und der Winkelgeschwindigkeit, die auf das System einwirken. Da es (nach der Initialisierung) keine externe Referenz benötigt, ist es immun gegen Störung und Täuschung. ⓘ

Trägheitsnavigationssysteme werden in vielen verschiedenen beweglichen Objekten eingesetzt. Ihre Kosten und ihre Komplexität schränken jedoch die Umgebungen ein, in denen sie sinnvoll eingesetzt werden können. ⓘ

Gyroskope messen die Winkelgeschwindigkeit des Sensorrahmens in Bezug auf den Inertialreferenzrahmen. Indem die ursprüngliche Ausrichtung des Systems im Inertialbezugssystem als Anfangsbedingung verwendet und die Winkelgeschwindigkeit integriert wird, ist die aktuelle Ausrichtung des Systems jederzeit bekannt. Dies ist vergleichbar mit der Fähigkeit eines blinden Mitfahrers in einem Auto, zu spüren, wie das Auto nach links und rechts abbiegt oder sich auf und ab neigt, wenn es bergauf oder bergab fährt. Allein aufgrund dieser Information weiß der Beifahrer, in welche Richtung das Auto fährt, aber nicht, wie schnell oder langsam es sich bewegt oder ob es zur Seite rutscht. ⓘ

Beschleunigungsmesser messen die lineare Beschleunigung des fahrenden Fahrzeugs im Sensor- oder Karosserierahmen, aber in Richtungen, die nur relativ zum fahrenden System gemessen werden können (da die Beschleunigungsmesser am System befestigt sind und sich mit dem System drehen, aber ihre eigene Ausrichtung nicht kennen). Man kann sich das so vorstellen, dass ein blinder Beifahrer in einem Auto spürt, wie er in seinen Sitz zurückgedrückt wird, wenn das Fahrzeug vorwärts beschleunigt, oder wie er nach vorne gezogen wird, wenn es langsamer wird; und er spürt, wie er in seinen Sitz gedrückt wird, wenn das Fahrzeug einen Hügel hinauffährt, oder wie er sich aus seinem Sitz erhebt, wenn das Auto über die Kuppe eines Hügels fährt und zu sinken beginnt. Allein aufgrund dieser Informationen wissen sie, wie das Fahrzeug relativ zu sich selbst beschleunigt, d. h. ob es vorwärts, rückwärts, links, rechts, nach oben (zur Fahrzeugdecke hin) oder nach unten (zum Fahrzeugboden hin) beschleunigt, gemessen relativ zum Fahrzeug, aber nicht die Richtung relativ zur Erde, da sie nicht wussten, in welche Richtung das Fahrzeug relativ zur Erde gerichtet war, als sie die Beschleunigungen spürten. ⓘ

Indem man jedoch sowohl die aktuelle Winkelgeschwindigkeit des Systems als auch die relativ zum bewegten System gemessene aktuelle lineare Beschleunigung des Systems verfolgt, kann man die lineare Beschleunigung des Systems im Inertialbezugssystem bestimmen. Durch Integration der Trägheitsbeschleunigungen (mit der ursprünglichen Geschwindigkeit als Anfangsbedingung) unter Verwendung der korrekten kinematischen Gleichungen erhält man die Trägheitsgeschwindigkeiten des Systems, und durch erneute Integration (mit der ursprünglichen Position als Anfangsbedingung) erhält man die Trägheitsposition. Wenn in unserem Beispiel der Beifahrer mit verbundenen Augen wusste, wie das Auto ausgerichtet war und welche Geschwindigkeit es hatte, bevor ihm die Augen verbunden wurden, und wenn er in der Lage ist, zu verfolgen, wie sich das Auto gedreht hat und wie es seitdem beschleunigt und abgebremst hat, dann kann er die aktuelle Ausrichtung, Position und Geschwindigkeit des Autos jederzeit genau bestimmen. ⓘ

Ausgangspunkt ist das Erfassen der Beschleunigung und der Drehrate mittels einer inertialen Messeinheit. Ist die Beschleunigung eines Massepunkts im Raum in ihrem Betrag und in ihrer Richtung bekannt, erhält man bei jeweils festgelegten Anfangsbedingungen durch Integration über die Zeit seine Geschwindigkeit und nach nochmaliger Integration seine durch die Geschwindigkeit verursachte Positionsänderung s(t). Das basiert auf Newtons 2. Gesetz der Mechanik, nämlich:

$m\cdot {\underline {\ddot {s}}}(t)=m\cdot \;{\frac {{\text{d}}^{2}{\underline {s}}(t)}{{\mathit {{\text{d}}t}}^{2}}}=m\cdot {\underline {a}}(t)=\sum _{J}{\underline {F}}^{J}$ ⓘ

Bei bekannten Anfangsbedingungen – Anfangsgeschwindigkeit und Ausgangspunkt – folgt aus der Integration über die Zeit ein absoluter Ort nach der Verschiebung des Sensors. ⓘ

Analoges gilt auch für die Winkelgeschwindigkeit, die sich wiederum nach Bestimmung mittels Drehratensensor über eine einfache Integration über die Zeit in den Verkippungswinkel im inertialen Raum überführen lässt. Insgesamt leistet ein INS die gleichzeitige Messung von sechs Größen, nämlich die Beschleunigung und die Winkelgeschwindigkeit, jeweils in den drei zueinander orthogonalen Raumrichtungen. Dazu werden für die drei translatorischen Freiheitsgrade Beschleunigungssensoren sowie für die drei rotatorischen Drehratensensoren eingesetzt, jeweils entsprechend ihrer empfindlichen Achse im INS-Gehäuse verbaut. Aufgrund der vor allem mit dem fallenden Preis stärkeren Sensordrift ist der Einsatz eines INS mit einem Messfehler behaftet, der mit fortschreitender Messdauer aufgrund der Zweifachintegration der Positionsbestimmung quadratisch ansteigt bzw. bei einer Winkelberechnung sogar mit dritter Potenz in den Positionsfehler eingeht. Hinzu kommt, dass neben den eigentlichen Nutzsignalen bei einem Einsatz auf der Erde auch Einflüsse der Gravitationsbeschleunigung sowie der Erdrotation ebenfalls gemessen werden und somit als Störsignale zu beachten sind. ⓘ

Die Beschleunigung kann einerseits mittels fahrzeugfester Beschleunigungssensoren („strap-down“) gemessen werden, andererseits durch vollkardanisch kreiselstabilisierte Beschleunigungsaufnehmer, die eine stabile Ebene und Richtung im Raum oder bzgl. der Tangentialebene besitzen. Mittels der Kreiseltechnologie sind auch die Drehung der Erde um die Sonne (0,041 °/h) sowie die Erddrehung (15 °/h) zu messen bzw. zu kompensieren. ⓘ

Driftrate

Alle Trägheitsnavigationssysteme leiden unter der Integrationsdrift: Kleine Fehler bei der Messung von Beschleunigung und Winkelgeschwindigkeit werden in immer größere Fehler bei der Geschwindigkeit integriert, die sich zu noch größeren Fehlern bei der Position summieren. Da die neue Position aus der zuvor berechneten Position und der gemessenen Beschleunigung und Winkelgeschwindigkeit berechnet wird, akkumulieren sich diese Fehler in etwa proportional zur Zeit seit der Eingabe der ursprünglichen Position. Selbst die besten Beschleunigungsmesser mit einem Standardfehler von 10 Mikro-g würden innerhalb von 17 Minuten einen Fehler von 50 Metern anhäufen. Daher muss die Position in regelmäßigen Abständen durch ein anderes Navigationssystem korrigiert werden. ⓘ

Dementsprechend wird die Trägheitsnavigation in der Regel als Ergänzung zu anderen Navigationssystemen eingesetzt, um einen höheren Genauigkeitsgrad zu erreichen, als dies mit einem einzelnen System möglich ist. Wenn zum Beispiel im terrestrischen Einsatz die inertial verfolgte Geschwindigkeit durch Anhalten intermittierend auf Null aktualisiert wird, bleibt die Position für eine viel längere Zeit präzise, eine so genannte Null-Geschwindigkeits-Aktualisierung. Insbesondere in der Luft- und Raumfahrt werden andere Messsysteme verwendet, um INS-Ungenauigkeiten zu bestimmen, z. B. verwendet das Trägheitsnavigationssystem LaseRefV von Honeywell GPS- und Flugdatencomputerausgaben, um die erforderliche Navigationsleistung zu erhalten. Der Navigationsfehler nimmt mit der geringeren Empfindlichkeit der verwendeten Sensoren zu. Derzeit werden Geräte entwickelt, die verschiedene Sensoren kombinieren, z. B. ein Lage- und Kursreferenzsystem. Da der Navigationsfehler hauptsächlich durch die numerische Integration von Drehraten und Beschleunigungen beeinflusst wird, wurde das Druckreferenzsystem entwickelt, um eine numerische Integration der Drehratenmessungen zu verwenden. ⓘ

Die Schätzungstheorie im Allgemeinen und die Kalman-Filterung im Besonderen bieten einen theoretischen Rahmen für die Kombination von Informationen aus verschiedenen Sensoren. Einer der gebräuchlichsten alternativen Sensoren ist ein Satellitennavigationsgerät wie GPS, das für alle Arten von Fahrzeugen mit direkter Sicht zum Himmel verwendet werden kann. Bei Anwendungen in Innenräumen können Schrittzähler, Entfernungsmessgeräte oder andere Arten von Positionssensoren verwendet werden. Durch die richtige Kombination der Informationen von einem INS und anderen Systemen (GPS/INS) sind die Fehler bei Position und Geschwindigkeit stabil. Darüber hinaus kann INS als kurzfristige Ausweichlösung verwendet werden, wenn keine GPS-Signale verfügbar sind, z. B. wenn ein Fahrzeug durch einen Tunnel fährt. ⓘ

Im Jahr 2011 wurde das Stören von GPS-Signalen auf ziviler Ebene zu einem Anliegen der Regierung. Da es relativ leicht ist, diese Systeme zu stören, ist das Militär bestrebt, die Abhängigkeit der Navigation von der GPS-Technologie zu verringern. Da Trägheitsnavigationssensoren im Gegensatz zu GPS nicht auf Funksignale angewiesen sind, können sie nicht gestört werden. ⓘ

Im Jahr 2012 berichteten Forscher des U.S. Army Research Laboratory über eine Trägheitsmesseinheit, die aus dreiachsigen Beschleunigungsmessern und dreiachsigen Gyroskopen mit einer Array-Größe von 10 besteht und über einen Kalman-Filter-Algorithmus zur Schätzung von Sensor-Neutralitätsparametern (Fehlern) sowie der Position und Geschwindigkeit der Munition verfügt. Jedes Array misst sechs Datenpunkte, und das System koordiniert die Daten miteinander, um eine Navigationslösung zu liefern. Wenn ein Sensor die Entfernung konstant über- oder unterschätzt, kann das System eine Anpassung vornehmen und die Beiträge des fehlerhaften Sensors zur endgültigen Berechnung korrigieren. ⓘ

Durch die Hinzufügung des heuristischen Algorithmus konnte der berechnete Entfernungsfehler eines Fluges von 120 m auf 40 m vom vorgesehenen Ziel reduziert werden. Die Forscher koppelten den Algorithmus mit GPS- oder Radartechnologie, um den Navigationsalgorithmus zu initialisieren und zu unterstützen. An verschiedenen Punkten während des Fluges der Munition unterbrachen sie die Verfolgung und schätzten die Genauigkeit der Landung der Munition. Bei einem Flug von zweiundvierzig Sekunden zeigte sich bei einer Verfügbarkeit von 10 und 20 Sekunden kaum ein Unterschied im Fehler, da beide etwa 35 m vom Ziel entfernt waren. Es wurde kein nennenswerter Unterschied festgestellt, wenn die Experimente mit 100 statt mit zehn Sensoranordnungen durchgeführt wurden. Die Forscher weisen darauf hin, dass diese begrenzten experimentellen Daten eine Optimierung der Navigationstechnologie und eine potenzielle Kostenreduzierung für militärische Systeme bedeuten. ⓘ

Geschichte

Trägheitsnavigationssysteme wurden ursprünglich für Raketen entwickelt. Der amerikanische Raketenpionier Robert Goddard experimentierte mit rudimentären gyroskopischen Systemen. Goddards Systeme waren von großem Interesse für zeitgenössische deutsche Pioniere wie Wernher von Braun. Mit dem Aufkommen von Raumfahrzeugen, Lenkflugkörpern und Verkehrsflugzeugen wurden die Systeme in größerem Umfang eingesetzt. ⓘ

Die frühen deutschen V2-Leitsysteme aus dem Zweiten Weltkrieg kombinierten zwei Kreisel und einen Querbeschleunigungsmesser mit einem einfachen Analogrechner, um den Azimut der Rakete im Flug einzustellen. Analoge Computersignale wurden verwendet, um vier Graphitruder im Auspuff der Rakete zur Flugsteuerung anzutreiben. Das GN&C-System (Guidance, Navigation, and Control) für die V2 bot als integrierte Plattform mit geschlossenem Regelkreis viele Innovationen. Am Ende des Krieges veranlasste von Braun die Übergabe von 500 seiner besten Raketenwissenschaftler, zusammen mit Plänen und Testfahrzeugen, an die Amerikaner. Sie kamen 1945 im Rahmen der Operation Paperclip in Fort Bliss, Texas, an und wurden 1950 nach Huntsville, Alabama, verlegt, wo sie für die Raketenforschungsprogramme der US Army arbeiteten. ⓘ

In den frühen 1950er Jahren wollte sich die US-Regierung gegen eine zu große Abhängigkeit von der deutschen Mannschaft für militärische Anwendungen absichern, wozu auch die Entwicklung eines vollständig eigenen Raketensteuerungsprogramms gehörte. Das MIT Instrumentation Laboratory (später Charles Stark Draper Laboratory, Inc.) wurde von der Air Force Western Development Division ausgewählt, um Convair in San Diego ein eigenständiges Leitsystem für die neue Interkontinentalrakete Atlas zu liefern (Bau und Tests wurden von der Arma Division von AmBosch Arma durchgeführt). Der technische Leiter der MIT-Aufgabe war der Ingenieur Jim Fletcher, der später als NASA-Administrator tätig war. Das Atlas-Leitsystem sollte eine Kombination aus einem autonomen System an Bord und einem bodengestützten Verfolgungs- und Befehlssystem sein. Das autonome System setzte sich schließlich aus offensichtlichen Gründen bei ballistischen Raketenanwendungen durch. Bei der Erforschung des Weltraums bleibt eine Mischung aus beiden Systemen bestehen. ⓘ

Im Sommer 1952 erforschten Dr. Richard Battin und Dr. J. Halcombe "Hal" Laning, Jr. rechnergestützte Lösungen für die Lenkung und führten 1954 die ersten analytischen Arbeiten zur Trägheitslenkung des Atlas durch. Weitere Schlüsselfiguren bei Convair waren Charlie Bossart, der Chefingenieur, und Walter Schweidetzky, Leiter der Lenkungsgruppe. Schweidetzky hatte während des Zweiten Weltkriegs mit von Braun in Peenemünde zusammengearbeitet. ⓘ

Das anfängliche Delta-Leitsystem bewertete die Abweichung der Position von einer Referenzflugbahn. Es wurde eine Berechnung der zu gewinnenden Geschwindigkeit (VGO) durchgeführt, um die aktuelle Flugbahn mit dem Ziel zu korrigieren, die VGO auf Null zu bringen. Die Mathematik dieses Ansatzes war grundsätzlich gültig, wurde aber wegen der Herausforderungen bei der genauen Trägheitsführung und der analogen Rechenleistung aufgegeben. Die Herausforderungen, mit denen die Delta-Bemühungen konfrontiert waren, wurden durch das Q-System (siehe Q-Lenkung) der Lenkung überwunden. Die Revolution des Q-Systems bestand darin, die Herausforderungen der Raketensteuerung (und die damit verbundenen Bewegungsgleichungen) in der Matrix Q zu bündeln. Die Q-Matrix stellt die partiellen Ableitungen der Geschwindigkeit in Bezug auf den Positionsvektor dar. Ein wesentliches Merkmal dieses Ansatzes bestand darin, dass die Komponenten des Vektor-Kreuzprodukts (v, xdv, /dt) als grundlegende Autopilot-Ratensignale verwendet werden konnten - eine Technik, die als Kreuzproduktsteuerung bekannt wurde. Das Q-System wurde auf dem ersten technischen Symposium über ballistische Raketen vorgestellt, das am 21. und 22. Juni 1956 bei der Ramo-Wooldridge Corporation in Los Angeles stattfand. Das Q-System war bis in die 1960er Jahre hinein eine geheime Information. Abwandlungen dieses Systems werden für die heutigen Raketen verwendet. ⓘ

Das Prinzip der Inertialnavigation wurde bereits 1910 in einem Patent beschrieben. Bereits in den ersten Flüssigkeitsraketen – z. B. der deutschen A4 – wurden Trägheitsnavigationssysteme auf Basis von Gyroskopen eingesetzt. In den 1950er Jahren wurde Inertialnavigation vom US-Militär weiterentwickelt und kam im Atom-U-Boot Nautilus zum Einsatz. Heute ist sie auch aus der Luft- und Raumfahrt nicht mehr wegzudenken, allerdings fast immer gekoppelt mit Radio- oder Satellitennavigation, was eine absolute Positionsbestimmung auf bis zu wenige Zentimeter Genauigkeit in Echtzeit ermöglicht. ⓘ

Das Mittlere Artillerieraketensystem verfügt über ein Trägheitsnavigationssystem. Dabei werden trigonometrische Punkte im Gelände angefahren, um eine bekannte Position in das Navigationssystem einzugeben. Bewegt sich dann der Raketenwerfer zu seiner Feuerstellung, so werden die Wegstrecke und Richtungsänderungen erfasst und daraus die aktuelle Position berechnet. Mittlerweile kommt auch GPS zur direkten Positionsbestimmung zum Einsatz. ⓘ

Speziell in der Raumfahrt wird die Inertialnavigation nur sparsam benutzt, da diese über die Zeit (beispielsweise durch Reibung) Messfehler aufweist und ein hoher Energiebedarf durch den Betrieb die Ressourcen der Raumfahrzeuge belastet. In bemannten Raumschiffen wird daher auch heute noch auf einen Space Sextant zurückgegriffen, bei unbemannten Raumsonden und Satelliten werden Sternsensoren eingesetzt. So wurden beispielsweise bei den Mondflügen des Apollo-Programms zwischen Erde und Mond in jeder Richtung bis zu vier Kurskorrekturen vorgenommen. Nach optischer Positions- und Fluglagebestimmung wurde dann das Inertialmessgerät eingeschaltet und justiert, was etwa 45 Minuten bis eine Stunde Zeit in Anspruch nahm. Nach den Korrekturen wurde das Inertialmessgerät wieder ausgeschaltet. ⓘ

Lenkung in der bemannten Raumfahrt

Im Februar 1961 erteilte die NASA dem MIT einen Auftrag für eine Vorstudie zur Entwicklung eines Lenk- und Navigationssystems für das Apollo-Programm. Das MIT und die Delco Electronics Div. der General Motors Corp. erhielten den gemeinsamen Auftrag für die Entwicklung und Produktion der Apollo-Lenkungs- und Navigationssysteme für die Kommandokapsel und die Mondlandefähre. Delco stellte die IMUs (Inertial Measurement Units) für diese Systeme her, Kollsman Instrument Corp. produzierte die optischen Systeme, und der Apollo Guidance Computer wurde von Raytheon im Unterauftrag gebaut. ⓘ

Für das Space Shuttle wurde ein offener Regelkreis (ohne Rückkopplung) verwendet, um das Shuttle vom Start bis zur Abtrennung des Solid Rocket Booster (SRB) zu steuern. Nach der SRB-Abtrennung wird die primäre Führung des Space Shuttle als PEG (Powered Explicit Guidance) bezeichnet. PEG berücksichtigt sowohl das Q-System als auch die Prädiktor-Korrektor-Eigenschaften des ursprünglichen "Delta"-Systems (PEG-Lenkung). Obwohl in den letzten 30 Jahren viele Aktualisierungen des Shuttle-Navigationssystems vorgenommen wurden (z. B. GPS im OI-22-Bau), hatte sich der Lenkungskern des GN&C-Systems des Shuttles kaum weiterentwickelt. In einem bemannten System ist eine menschliche Schnittstelle für das Leitsystem erforderlich. Da die Astronauten der Kunde für das System sind, wurden viele neue Teams gebildet, die sich mit GN&C befassen, da es eine primäre Schnittstelle zum "Fliegen" des Fahrzeugs ist. ⓘ

Trägheitsnavigation für Flugzeuge

Ein Beispiel für ein beliebtes INS für Verkehrsflugzeuge war das Delco Carousel, das eine teilweise Automatisierung der Navigation ermöglichte, bevor komplette Flugmanagementsysteme üblich wurden. Das Carousel ermöglichte es den Piloten, jeweils 9 Wegpunkte einzugeben und das Flugzeug dann mithilfe eines INS zur Bestimmung von Position und Geschwindigkeit von einem Wegpunkt zum nächsten zu führen. Die Boeing Corporation beauftragte die Delco Electronics Div. von General Motors mit der Entwicklung und dem Bau der ersten Carousel-Systeme für die frühen Modelle (-100, -200 und -300) der 747. In der 747 wurden drei Carousel-Systeme eingesetzt, die aus Gründen der Zuverlässigkeit zusammenarbeiten. Das Carousel-System und seine Abwandlungen wurden später auch in vielen anderen Verkehrs- und Militärflugzeugen eingesetzt. Die C-141 der USAF war das erste Militärflugzeug, das das Carousel in einer Konfiguration mit zwei Systemen nutzte, gefolgt von der C-5A, die ähnlich wie die 747 eine Konfiguration mit drei INS nutzte. Die KC-135A-Flotte wurde mit einem einzigen Carousel IV-E-System ausgestattet, das als eigenständiges INS betrieben oder durch das AN/APN-218 Doppler-Radar unterstützt werden kann. Einige Sondereinsatzvarianten der C-135 waren mit zwei Carousel IV-E INSs ausgestattet. Die ARINC-Charakteristik 704 definiert die im kommerziellen Luftverkehr verwendeten INS. ⓘ

Trägheitsnavigationssysteme im Detail

Diagramm zur Darstellung der Roll-, Nick- und Gierachse eines Flugzeugs im Flug ⓘ

Trägheitsnavigationseinheit der französischen IRBM S3. ⓘ

INSs enthalten Inertial Measurement Units (IMUs), die über Winkel- und Linearbeschleunigungsmesser (für Positionsänderungen) verfügen; einige IMUs enthalten ein gyroskopisches Element (zur Aufrechterhaltung einer absoluten Winkelreferenz). ⓘ

Winkelbeschleunigungsmesser messen, wie sich das Fahrzeug im Raum dreht. Im Allgemeinen gibt es mindestens einen Sensor für jede der drei Achsen: Nicken (Nase nach oben und unten), Gieren (Nase nach links und rechts) und Rollen (im oder gegen den Uhrzeigersinn vom Cockpit aus). ⓘ

Lineare Beschleunigungsmesser messen die nichtgravitationellen Beschleunigungen des Fahrzeugs. Da es sich in drei Achsen bewegen kann (auf und ab, links und rechts, vor und zurück), gibt es für jede Achse einen linearen Beschleunigungsmesser. ⓘ

Ein Computer errechnet ständig die aktuelle Position des Fahrzeugs. Zunächst wird für jeden der sechs Freiheitsgrade (x, y, z und θx, θy und θz) die erfasste Beschleunigung zusammen mit einer Schätzung der Schwerkraft über die Zeit integriert, um die aktuelle Geschwindigkeit zu berechnen. Dann wird die Geschwindigkeit integriert, um die aktuelle Position zu berechnen. ⓘ

Die Trägheitsnavigation ist ohne Computer schwierig. Der Wunsch, Trägheitsnavigation in der Minuteman-Rakete und im Projekt Apollo einzusetzen, trieb die ersten Versuche zur Miniaturisierung von Computern voran. ⓘ

Trägheitsnavigationssysteme werden heute in der Regel mit Satellitennavigationssystemen durch ein digitales Filtersystem kombiniert. Das Trägheitssystem liefert kurzfristige Daten, während das Satellitensystem die aufgelaufenen Fehler des Trägheitssystems korrigiert. ⓘ

Ein Trägheitsnavigationssystem, das in der Nähe der Erdoberfläche eingesetzt wird der Erdoberfläche arbeitet, muss eine Schuler-Abstimmung beinhalten, damit seine Plattform weiterhin auf den Erdmittelpunkt ausgerichtet ist wenn sich ein Fahrzeug von Ort zu Ort bewegt. ⓘ

Grundlegende Systeme

Kardanisch aufgehängte kreiselstabilisierte Plattformen

Bei einigen Systemen sind die linearen Beschleunigungsmesser auf einer kardanischen, kreiselstabilisierten Plattform angebracht. Die kardanische Aufhängung besteht aus drei Ringen mit je einem Paar von Lagern, die zunächst im rechten Winkel zueinander stehen. Sie ermöglichen es der Plattform, sich um jede beliebige Drehachse zu drehen (oder besser gesagt, sie sorgen dafür, dass die Plattform die gleiche Ausrichtung behält, während sich das Fahrzeug um sie dreht). Auf der Plattform befinden sich (normalerweise) zwei Gyroskope. ⓘ

Zwei Kreisel werden verwendet, um die gyroskopische Präzession auszugleichen, d. h. die Tendenz eines Kreisels, sich rechtwinklig zu einem Eingangsdrehmoment zu drehen. Durch die rechtwinklige Anbringung von zwei Kreiseln (mit gleicher Rotationsträgheit und gleicher Drehgeschwindigkeit in entgegengesetzte Richtungen) werden die Präzessionstendenzen aufgehoben, und die Plattform ist verwindungsfest. ⓘ

Mit diesem System lassen sich die Roll-, Nick- und Gierwinkel eines Fahrzeugs direkt an den Lagern der Kardanringe messen. Für die Addition der linearen Beschleunigungen können relativ einfache elektronische Schaltungen verwendet werden, da sich die Richtungen der linearen Beschleunigungsmesser nicht ändern. ⓘ

Der große Nachteil dieses Systems ist, dass es viele teure mechanische Präzisionsteile verwendet. Außerdem hat es bewegliche Teile, die sich abnutzen oder blockieren können, und ist anfällig für Kardanverriegelungen. Das primäre Lenksystem des Apollo-Raumschiffs verwendete eine dreiachsige kreiselstabilisierte Plattform, die Daten an den Apollo-Lenkungscomputer lieferte. Manöver mussten sorgfältig geplant werden, um eine Kardanverriegelung zu vermeiden. ⓘ

Flüssigkeitsgelagerte kreiselstabilisierte Plattformen

Kardanische Verriegelung schränkt das Manövrieren ein, und es wäre von Vorteil, die Schleifringe und Lager der Kardanringe zu eliminieren. Daher verwenden einige Systeme Flüssigkeitslager oder eine Schwebekammer, um eine kreiselstabilisierte Plattform zu montieren. Diese Systeme können sehr hohe Genauigkeiten aufweisen (z. B. Advanced Inertial Reference Sphere). Wie alle gyrostabilisierten Plattformen funktioniert dieses System auch mit relativ langsamen Computern mit geringer Leistung. ⓘ

Die Flüssigkeitslager sind Pads mit Löchern, durch die unter Druck stehendes Inertgas (z. B. Helium) oder Öl gegen die kugelförmige Schale der Plattform drückt. Die Flüssigkeitslager sind sehr gleitfähig und die kugelförmige Plattform kann sich frei drehen. In der Regel gibt es vier Lager, die in einer tetraedrischen Anordnung montiert sind, um die Plattform zu stützen. ⓘ

Bei hochwertigen Systemen sind die Winkelsensoren in der Regel spezielle Transformatorspulen, die in einem Streifen auf einer flexiblen Leiterplatte angebracht sind. Mehrere Spulenstreifen sind auf großen Kreisen um die kugelförmige Hülle der kreiselstabilisierten Plattform angebracht. Die Elektronik außerhalb der Plattform verwendet ähnliche streifenförmige Transformatoren, um die wechselnden Magnetfelder zu erfassen, die von den um die kugelförmige Plattform gewickelten Transformatoren erzeugt werden. Immer wenn ein Magnetfeld seine Form ändert oder sich bewegt, werden die Drähte der Spulen auf den externen Transformatorstreifen durchtrennt. Der Schnitt erzeugt einen elektrischen Strom in den äußeren streifenförmigen Spulen, und die Elektronik kann diesen Strom messen, um die Winkel abzuleiten. ⓘ

Billige Systeme verwenden manchmal Strichcodes, um die Ausrichtung zu erfassen, und nutzen Solarzellen oder einen einzelnen Transformator zur Stromversorgung der Plattform. Einige kleine Raketen haben die Plattform mit Licht aus einem Fenster oder mit optischen Fasern zum Motor angetrieben. Ein Forschungsthema ist die Aufhängung der Plattform mit dem Druck von Abgasen. Die Daten werden über Transformatoren oder manchmal auch über LEDs, die mit externen Fotodioden kommunizieren, an die Außenwelt übertragen. ⓘ

Strapdown-Systeme

Leichte Digitalcomputer ermöglichen es, auf kardanische Aufhängungen zu verzichten und Strapdown-Systeme zu entwickeln, die so genannt werden, weil ihre Sensoren einfach an das Fahrzeug geschnallt werden. Dies senkt die Kosten, eliminiert die kardanische Verriegelung, macht einige Kalibrierungen überflüssig und erhöht die Zuverlässigkeit, da einige der beweglichen Teile wegfallen. Winkelgeschwindigkeitssensoren, so genannte Rate Gyros, messen die Winkelgeschwindigkeit des Fahrzeugs. ⓘ

Ein Strapdown-System benötigt einen dynamischen Messbereich, der mehrere hundert Mal größer ist als der eines kardanischen Systems. Das heißt, es muss die Lageänderungen des Fahrzeugs in Nicken, Rollen und Gieren sowie die groben Bewegungen integrieren. Kardanische Systeme können in der Regel mit Aktualisierungsraten von 50-60 Hz auskommen. Bei Strapdown-Systemen liegt die Aktualisierungsrate jedoch normalerweise bei etwa 2000 Hz. Die höhere Rate ist erforderlich, damit das Navigationssystem die Winkelgeschwindigkeit genau in eine Fluglage integrieren kann. ⓘ

Die damit verbundenen Algorithmen zur Datenaktualisierung (Richtungskosinus oder Quaternionen) sind zu komplex, als dass sie ohne digitale Elektronik präzise durchgeführt werden könnten. Allerdings sind Digitalcomputer heute so preiswert und schnell, dass Kreiselsysteme praktisch eingesetzt und in Massenproduktion hergestellt werden können. Die Apollo-Mondlandefähre verwendete ein Strapdown-System in ihrem Abort Guidance System (AGS). ⓘ

Strapdown-Systeme werden heute häufig in kommerziellen und militärischen Anwendungen (Flugzeuge, Schiffe, ROVs, Raketen usw.) eingesetzt. Moderne Strapdown-Systeme basieren auf Ringlaser-Gyroskopen, faseroptischen Gyroskopen oder halbkugelförmigen Resonator-Gyroskopen. Sie arbeiten mit digitaler Elektronik und fortschrittlichen digitalen Filtertechniken wie dem Kalman-Filter. ⓘ

Bewegungsbasierte Ausrichtung

Die Ausrichtung eines Kreiselsystems kann manchmal auch einfach aus seiner Positionsgeschichte (z. B. GPS) abgeleitet werden. Dies ist insbesondere bei Flugzeugen und Autos der Fall, wo der Geschwindigkeitsvektor in der Regel die Ausrichtung des Fahrzeugkörpers impliziert. ⓘ

Align in Motion von Honeywell beispielsweise ist ein Initialisierungsprozess, bei dem die Initialisierung erfolgt, während sich das Flugzeug in der Luft oder am Boden bewegt. Dies wird mit Hilfe von GPS und einer Inertialprüfung erreicht, wodurch die Anforderungen an die Datenintegrität erfüllt werden können. Dieses Verfahren wurde von der FAA zertifiziert, um eine reine INS-Leistung wiederherzustellen, die den stationären Ausrichtungsverfahren für zivile Flugzeiten von bis zu 18 Stunden entspricht. Es vermeidet die Notwendigkeit von Kreiselbatterien in Flugzeugen. ⓘ

Vibrierende Kreisel

Weniger kostspielige Navigationssysteme, die für den Einsatz in Kraftfahrzeugen bestimmt sind, können einen Vibrationskreisel zur Erkennung von Kursänderungen und den Kilometerzähler zur Messung der zurückgelegten Strecke verwenden. Diese Art von System ist wesentlich ungenauer als ein höherwertiges INS, reicht aber für die typische Anwendung im Auto aus, bei der GPS das primäre Navigationssystem ist und die Koppelnavigation nur benötigt wird, um Lücken in der GPS-Abdeckung zu schließen, wenn Gebäude oder Gelände die Satellitensignale blockieren. ⓘ

Halbkugelige Resonatorkreisel (Weinglas- oder Pilzkreisel)

Wird in einer halbkugelförmigen Resonanzstruktur eine stehende Welle induziert und dann die Resonanzstruktur gedreht, dreht sich die sphärische harmonische stehende Welle aufgrund der Corioliskraft um einen anderen Winkel als die Quarzresonatorstruktur. Die Bewegung des Außengehäuses in Bezug auf das Stehwellenmuster ist proportional zum Gesamtdrehwinkel und kann durch geeignete Elektronik erfasst werden. Die Systemresonatoren werden aufgrund ihrer hervorragenden mechanischen Eigenschaften aus Quarzglas gefertigt. Die Elektroden, die die stehenden Wellen antreiben und erfassen, sind direkt auf separate Quarzstrukturen aufgebracht, die den Resonator umgeben. Diese Kreisel können entweder in einem Ganzwinkelmodus (der ihnen eine nahezu unbegrenzte Frequenzkapazität verleiht) oder in einem Kraftausgleichsmodus arbeiten, der die stehende Welle in einer festen Ausrichtung in Bezug auf das Kreiselgehäuse hält (was ihnen eine wesentlich bessere Genauigkeit verleiht). ⓘ

Dieses System hat fast keine beweglichen Teile und ist sehr genau. Es ist jedoch aufgrund der Kosten für die präzisionsgeschliffenen und polierten hohlen Quarzhalbkugeln immer noch relativ teuer. Northrop Grumman stellt derzeit IMUs (Inertial Measurement Units) für Raumfahrzeuge her, die HRGs verwenden. Diese IMUs haben seit ihrem ersten Einsatz im Jahr 1996 eine extrem hohe Zuverlässigkeit bewiesen. Safran stellt eine große Anzahl von HRG-basierten Trägheitssystemen für eine Vielzahl von Anwendungen her. ⓘ

Quarz-Ratensensoren

Der Quarz-Rate-Sensor in einem E-Sky-Modellhubschrauber ⓘ

Zu diesen Produkten gehören "Stimmgabelkreisel". Hier ist der Kreisel als elektronisch angetriebene Stimmgabel konzipiert, die häufig aus einem einzigen Stück Quarz oder Silizium hergestellt wird. Solche Kreisel arbeiten nach der dynamischen Theorie, dass eine Corioliskraft erzeugt wird, wenn eine Winkelgeschwindigkeit auf einen sich bewegenden Körper ausgeübt wird. ⓘ

Dieses System ist normalerweise auf einem Siliziumchip integriert. Es besteht aus zwei masseausgeglichenen Quarz-Stimmgabeln, die "Griff an Griff" angeordnet sind, so dass sich die Kräfte aufheben. Auf die Gabeln aufgedampfte Aluminiumelektroden und der darunter liegende Chip treiben die Bewegung an und erfassen sie. Das System ist sowohl herstellbar als auch kostengünstig. Da Quarz formstabil ist, kann das System sehr genau sein. ⓘ

Wenn die Gabeln um die Achse des Griffs gedreht werden, tendieren die Vibrationen der Zinken dazu, sich in der gleichen Bewegungsebene fortzusetzen. Dieser Bewegung muss durch elektrostatische Kräfte von den Elektroden unter den Zinken entgegengewirkt werden. Durch die Messung der Kapazitätsdifferenz zwischen den beiden Zinken einer Gabel kann das System die Geschwindigkeit der Winkelbewegung bestimmen. ⓘ

Der aktuelle Stand der nicht-militärischen Technologie (Stand 2005) ermöglicht den Bau kleiner Festkörpersensoren, die die Bewegungen des menschlichen Körpers messen können. Diese Geräte haben keine beweglichen Teile und wiegen etwa 50 Gramm. ⓘ

Festkörpergeräte, die die gleichen physikalischen Prinzipien nutzen, werden zur Bildstabilisierung in kleinen Kameras oder Camcordern eingesetzt. Sie können extrem klein sein, etwa 5 Millimeter, und werden mit MEMS-Technologien (Mikroelektromechanische Systeme) gebaut. ⓘ

MHD-Sensor

Sensoren, die auf magnetohydrodynamischen Prinzipien basieren, können zur Messung von Winkelgeschwindigkeiten verwendet werden. ⓘ

MEMS-Gyroskop

MEMS-Gyroskop ⓘ

MEMS-Gyroskope beruhen in der Regel auf dem Coriolis-Effekt zur Messung der Winkelgeschwindigkeit. Es besteht aus einer schwingungsfähigen Masse, die in Silizium eingebaut ist. Das Gyroskop ist im Gegensatz zu einem Beschleunigungsmesser ein aktiver Sensor. Die Prüfmasse wird durch Antriebskämme hin und her geschoben. Eine Drehung des Gyroskops erzeugt eine Corioliskraft, die auf die Masse einwirkt und eine Bewegung in eine andere Richtung bewirkt. Die Bewegung in dieser Richtung wird durch Elektroden gemessen und stellt die Drehrate dar. ⓘ

Ring-Laser-Kreisel (RLG)

Ringlaserkreisel ⓘ

Ein Ringlaserkreisel teilt einen Laserlichtstrahl in zwei entgegengesetzte Strahlen auf, die durch schmale Tunnel in einem geschlossenen kreisförmigen optischen Pfad um den Umfang eines dreieckigen Blocks aus temperaturstabilem Cervitglas mit reflektierenden Spiegeln in jeder Ecke laufen. Wenn sich der Kreisel mit einer bestimmten Winkelgeschwindigkeit dreht, legen die beiden Strahlen eine unterschiedliche Strecke zurück - der kürzere Weg verläuft entgegengesetzt zur Drehung. Die Phasenverschiebung zwischen den beiden Strahlen kann mit einem Interferometer gemessen werden und ist proportional zur Drehrate (Sagnac-Effekt). ⓘ

In der Praxis kann die Ausgangsfrequenz bei niedrigen Drehraten durch Rückstreuung auf Null fallen, wodurch sich die Strahlen synchronisieren und miteinander verriegeln. Dies wird als "Lock-in" oder "Laser-Lock" bezeichnet. Dies hat zur Folge, dass sich das Interferenzmuster nicht verändert und somit auch die Messung nicht. ⓘ

Um die gegenläufigen Lichtstrahlen zu entkoppeln, verfügen Laserkreisel entweder über unabhängige Lichtwege für die beiden Richtungen (in der Regel bei faseroptischen Kreiseln), oder der Laserkreisel ist auf einem piezoelektrischen Dithermotor montiert, der den Laserring schnell um seine Eingangsachse durch den Lock-in-Bereich hin und her schwingt, um die Lichtwellen zu entkoppeln. ⓘ

Der Shaker ist am genauesten, weil beide Lichtstrahlen genau denselben Weg nehmen. Laserkreisel haben also weiterhin bewegliche Teile, bewegen sich aber nicht so weit. ⓘ

Faseroptische Kreisel (FOG)

Eine neuere Variante des optischen Gyroskops, das faseroptische Gyroskop, verwendet einen externen Laser und zwei Strahlen, die in entgegengesetzter Richtung (gegenläufig) in langen Spulen (mehrere Kilometer) aus Glasfaserkabeln verlaufen, wobei die Phasendifferenz der beiden Strahlen nach ihrer Reise durch die Faserspulen verglichen wird. ⓘ

Der grundlegende Mechanismus - monochromatisches Laserlicht, das sich auf entgegengesetzten Wegen ausbreitet, und der Sagnac-Effekt - ist bei einem FOG und einem RLG derselbe, aber die technischen Details unterscheiden sich beim FOG erheblich von früheren Laserkreiseln. ⓘ

Es ist eine präzise Wicklung der Glasfaserspule erforderlich, um sicherzustellen, dass die Wege, die das Licht in entgegengesetzten Richtungen nimmt, so ähnlich wie möglich sind. Der FOG erfordert komplexere Kalibrierungen als ein Laserkreisel, was die Entwicklung und Herstellung von FOGs zu einer größeren technischen Herausforderung macht als bei einem RLG. Allerdings leiden FOGs bei niedrigen Geschwindigkeiten nicht unter Laser-Lock und müssen keine beweglichen Teile enthalten, was die maximale potenzielle Genauigkeit und Lebensdauer eines FOGs gegenüber einem entsprechenden RLG erhöht. ⓘ

Pendelbeschleunigungsaufnehmer

Prinzip eines Beschleunigungsmessers mit offenem Regelkreis. Eine Beschleunigung in Aufwärtsrichtung bewirkt eine Auslenkung der Masse nach unten. ⓘ

Der einfache Beschleunigungsmesser mit offenem Regelkreis besteht aus einer Masse, die an einer Feder befestigt ist. Die Masse ist gezwungen, sich nur in der Linie der Feder zu bewegen. Die Beschleunigung bewirkt eine Auslenkung der Masse, und der Versatzabstand wird gemessen. Die Beschleunigung wird aus den Werten des Auslenkungswegs, der Masse und der Federkonstante abgeleitet. Das System muss außerdem gedämpft werden, um Schwingungen zu vermeiden. Ein Beschleunigungsaufnehmer mit geschlossenem Regelkreis erreicht eine höhere Leistung, indem er eine Rückkopplungsschleife verwendet, um die Auslenkung zu kompensieren und die Masse nahezu stationär zu halten. Bei jeder Auslenkung der Masse bewirkt die Rückkopplungsschleife, dass eine elektrische Spule eine ebenso negative Kraft auf die Masse ausübt, wodurch die Bewegung aufgehoben wird. Die Beschleunigung ergibt sich aus dem Betrag der negativen Kraft, die ausgeübt wird. Da sich die Masse kaum bewegt, sind die Auswirkungen der Nichtlinearitäten des Feder- und Dämpfungssystems stark reduziert. Darüber hinaus bietet dieser Beschleunigungsaufnehmer eine größere Bandbreite als die Eigenfrequenz des Sensorelements. ⓘ

Beide Arten von Beschleunigungsaufnehmern wurden als integrierte Mikromaschinen auf Siliziumchips hergestellt. ⓘ

TIMU-Sensoren (Timing & Inertial Measurement Unit)

Die Abteilung Microsystems Technology Office (MTO) der DARPA arbeitet an einem Micro-PNT (Micro-Technology for Positioning, Navigation and Timing)-Programm zur Entwicklung von Timing & Inertial Measurement Unit (TIMU)-Chips, die eine absolute Positionsbestimmung auf einem einzigen Chip ohne GPS-gestützte Navigation ermöglichen. ⓘ

Micro-PNT fügt eine hochpräzise Master-Timing-Uhr hinzu, die in einen IMU-Chip (Inertial Measurement Unit) integriert ist und diesen zu einem Timing & Inertial Measurement Unit-Chip macht. Ein TIMU-Chip integriert ein 3-Achsen-Gyroskop, einen 3-Achsen-Beschleunigungsmesser und einen 3-Achsen-Magnetometer zusammen mit einer hochgenauen Master-Timing-Clock, so dass er die verfolgte Bewegung gleichzeitig messen und mit der Zeitmessung der synchronisierten Uhr kombinieren kann. ⓘ

Verfahren

In einer Form erfasst das Navigationsgleichungssystem lineare und winkelmäßige Messungen aus dem Inertial- bzw. Körperrahmen und berechnet die endgültige Lage und Position im NED-Referenzrahmen. ⓘ

Wobei: f ist die spezifische Kraft, $\omega$ die Winkelgeschwindigkeit, a die Beschleunigung, R die Position, ${\dot {R}}$ und V die Geschwindigkeit, $\Omega$ ist die Winkelgeschwindigkeit der Erde, g ist die Erdbeschleunigung, $\Phi ,\lambda$ und h sind die NED-Standortparameter. Die hochgestellten bzw. tiefgestellten Buchstaben E, I und B stehen für die Variablen im erdzentrierten, im Inertial- bzw. im Körperreferenzrahmen und C ist eine Transformation der Referenzrahmen. ⓘ

Kostengünstige Inertialsensorik

Kostengünstige Variante eines Inertial-Navigationssystems (Fa. Quantitec, Model IMU200), das in OP-Navigationssystemen (IN-OPNA) zur Knietransplantation eingesetzt wird. ⓘ

Industriell (d. h. z. B. in der Luft- oder in der Raumfahrt) eingesetzte Beschleunigungs- und Drehratensensoren mit Lasern sind üblicherweise große, teure Geräte die bei hoher Genauigkeit und geringer Drift meist auch Handelsbeschränkungen wegen deren militärischer Anwendbarkeit unterliegen. Im Gegensatz dazu sind in den letzten Jahren durch den Fortschritt der mikromechanischen Fertigungstechniken Inertialsensoren auf dem Markt erhältlich, die mit den bisher bekannten Funktionsprinzipien besonders klein, leicht und preiswert sind und sich ohne weiteres auf elektronische Träger in Form von mikro-elektro-mechanischen Systemen (MEMS) unterbringen lassen. MEMS-basierende Inertialsensorik weist allerdings eine um Größenordnungen höhere Drift als laserbasierende Systeme auf. Typisch für solche Geräte sind daher Anwendungen, wo die Langzeitstabilität keine oder nur eine geringe Rolle spielt, wie beispielsweise der Einsatz von Beschleunigungsaufnehmern zur Airbagauslösung in Fahrzeugen, von Gyroskopen für die Fahrzeugstabilisierung (vgl. ESP) oder bei Lenkflugkörpern. Auch in Digitalkameras finden inertialbasierte Sensoren als Komponenten zur Verwacklungskorrektur Verwendung. Weitere Anwendungen sind auch die Neigungsmessung in Smartphones und Tablet-PCs, als Eingabegerät in Spielekonsolen (Nintendo Wii) oder als Schrittdetektoren in elektronischen Trainingshelfern. ⓘ

Einsatz

Trägheitsnavigationssystem der S3-Mittelstreckenrakete ⓘ

INS, insbesondere jene Systeme, welche auf MEMS basieren, liefern nur für kurze Messperioden verlässliche Werte. Bei erdgebundener Navigation macht man sich u. a. den Einfluss der gekrümmten Erdoberfläche zunutze, um das Anwachsen des Positionsfehlers auf eine lineare Zunahme über der Zeit zu beschränken (Schuler-Kompensation, Schuler-Periode 84 Minuten). Man kombiniert Trägheitsnavigation deshalb häufig mit anderen Verfahren, beispielsweise Odometrie bei Fahrzeugen oder Satellitennavigation im Flugverkehr, um höhere Genauigkeit über lange Zeiträume zu erreichen. ⓘ

Die Sensor-Genauigkeit einfacher INS auf der Basis von MEMS und Faserkreiseln liegt etwa zwischen 1°/s und 0,01°/h Kreiseldrift. Mit Laserkreisel-Navigationssystemen erreicht man etwa 0,001 °/h bis 1 °/h Kreiseldrift. Daraus folgt für hochwertige Navigationssysteme eine Ortsabweichung von ca. 0,05 NM/h bis 3 NM/h (nautische Meilen pro Stunde) bei freier erdnaher Navigation und Höhenstützung. ⓘ

Bevor Satellitennavigation zur Positionskorrektur des INS zur Verfügung stand, wurde im Luftverkehr INS alleine genutzt. Die Abweichung der INS-Geräte betrug dabei Anfang der 1970er Jahre maximal 10 Seemeilen in 5 Stunden Flug, z. B. bei einer Ozeanüberquerung. Die frühen INS-Geräte erlaubten durch die Automatisierung – jedoch nicht durch die Navigationsgenauigkeit – die Einsparung des Navigators in Langstreckenflugzeugen, weil der Navigator mit einem Sextanten problemlos eine genauere Position berechnen konnte. Die relativ große Ungenauigkeit früher INS-Systeme war jedoch kein Problem, da man in Küstennähe oder über dem Festland durch die NDB-Funkfeuer oft und ohne viel Aufwand eine ziemlich genaue Position berechnen konnte. ⓘ

Auch der Gleichgewichtssinn bei Säugetieren ist wie ein INS aufgebaut, welches für Kurzzeitmessungen als Regelkreis zur Positionskorrektur dient. Sacculus und Utriculus im Gleichgewichtsorgan erfassen die Beschleunigung, während die Bogengänge die Drehbewegungen registrieren. ⓘ

Bei Fluginsekten, wie zum Beispiel den Schnaken, liefern Schwingkölbchen Informationen über Drehungen im Raum. Die Funktion eines Beschleunigungssensors übernehmen die Statocysten. ⓘ

Da inertiale Navigations-Systeme (INS) auch ohne GNSS-Signale auskommen, sind vor allem Anwendungsgebiete, bei denen kein Satellitenempfang möglich ist (z. B. unter Wasser, unter der Erde, in Gebäuden), von großem Interesse. Beispiele dafür sind Tunnelbohrungen, U-Boote und Torpedos. Für militärische Anwendungen – etwa bei fliegenden Lenkwaffen – ist Trägheitsnavigation ebenfalls interessant, da der Empfang der Satelliten-Signale durch Störsender oder Antisatellitenwaffen verhindert werden kann. ⓘ

Weitere interessante Einsatzgebiete sind:

• Ausrichtung von Maschinen, Antennen und Walzen
• Führung autonomer Roboter und von fahrerlosen Fahrzeugen
• Kfz-Dynamik-Vermessung, Schwimmwinkelmessung, Elchtests
• Stabilisierungen von Plattformen, Kameras, Waffen, Hubschraubern
• Vermessungstechnik ⓘ

Navigation in Gebäuden

Von der Problemstellung ausgehend, dass die derzeit im Freien eingesetzten globalen Navigationssysteme (GNSS) wie GPS oder GLONASS aufgrund der Abschirmung durch Gebäude und Hindernisse auf dem Weg der Signalausbreitung nicht für Innenräume eingesetzt werden können und auch für den Indoor-Bereich konzipierte Lösungen auf optischer, akustischer oder Wellenbasis in der Regel mit erheblichem Installationsaufwand, Anschaffungskosten und der Störung durch Personen und Gegenstände im Raum verbunden sind, lag die Überlegung nahe, die referenzlosen INS auch für solche Aufgaben einzusetzen. Diese können nicht abgeschirmt werden, besitzen einen unbegrenzten Arbeitsbereich und sind neben ihrer miniaturisierten und portablen Bauform sehr preiswert. Sie lassen sich an das Messobjekt anbringen oder in dieses integrieren mit dem Vorteil, dass sie durch die Kapselung vor Feuchtigkeit, Schmutz und Ähnlichem geschützt sind. Nachteile liegen vor allem in den zuvor beschriebenen Abweichungen und Störeinflüssen, welche nur durch entsprechenden Aufbau der INS sowie einer softwarebasierten Signalverarbeitung, beispielsweise mittels Kalman-Filterung, für einen applikationsgerechten Einsatz auf ein Mindestmaß reduziert werden können. Ein unter anderem auf diesem Gebiet weit fortgeschrittenes Forschungsinstitut ist das CCASS in Darmstadt. ⓘ