Einführung

Ein Inertialnavigationssystem (INS) ist eine autonome Navigationstechnologie, die auf Inertialsensoren wie Gyroskopen und Beschleunigungsmesser basiert. INS ist nicht auf externe Signale angewiesen und bietet hohe Stealth-Eigenschaften, eine starke Störfestigkeit und Allwetterbetrieb. Es wird häufig in der Luft- und Raumfahrt, bei Drohnen, in der Seefahrt und in autonomen Fahrzeugen eingesetzt. Das Verständnis der Trägheitsnavigation beginnt mit ihrer theoretischen Grundlage—Newtons Bewegungsgesetze.

1. Die theoretische Grundlage: Newtons drei Gesetze

1.1 Newtons erstes Gesetz: Trägheitsgesetz

"Ein Objekt in Ruhe verharrt im Zustand der Ruhe, und ein Objekt in Bewegung verharrt in gleichförmiger Bewegung, solange keine äußere Kraft auf es einwirkt."

Dieses Gesetz offenbart die Eigenschaft von Objekten, ihren Bewegungszustand beizubehalten—Trägheit. INS nutzt dieses Prinzip, indem es Änderungen in der Bewegung des Trägers im Inertialraum misst, um seine Position, Geschwindigkeit und Lage zu berechnen.

1.2 Newtons zweites Gesetz: Dynamik

"Die Beschleunigung eines Objekts ist proportional zur angewandten Kraft und umgekehrt proportional zu seiner Masse, d.h. a = F/m."

In der Trägheitsnavigation basieren Beschleunigungsmesser auf diesem Gesetz und messen die spezifische Kraft, die auf den Träger wirkt, um die Beschleunigung zu berechnen, die dann integriert wird, um Geschwindigkeit und Verschiebung zu erhalten.

1.3 Newtons drittes Gesetz: Aktion und Reaktion

"Für jede Aktion gibt es eine gleiche und entgegengesetzte Reaktion."

Dieses Gesetz manifestiert sich in INS als die mechanische Kopplung zwischen Sensoren und dem Träger, was für die Schwingungsdämpfung, die Fehlerkompensation und die Systemmodellierung unerlässlich ist.

2. Inertialsystem: Referenz für die Navigation

Die Gültigkeit der Newtonschen Gesetze erfordert ein Inertialsystem. In INS werden das erdzentrale Inertialsystem (ECI) oder Navigationssysteme wie NED üblicherweise als Referenzen für die Berechnung der Flugbahn des Trägers ausgewählt.

3. Komponenten und Schlüsseltechnologien von INS

Ein typisches INS besteht aus:

• IMU (Inertial Measurement Unit): enthält 3-Achsen-Gyroskope und 3-Achsen-Beschleunigungsmesser
• Navigationscomputer: führt Trägheitsnavigationsalgorithmen aus, wie z. B. Strapdown Inertial Navigation System (SINS)
• Kalman-Filter: für die Fusion mehrerer Sensoren und Fehlerkorrektur

Die Trägheitsnavigationstechnologie ist eine Kernkomponente moderner hochpräziser Navigationssysteme. Von Newtons Gesetzen bis zu Inertialsystemen und von Sensoren bis zu Algorithmen spiegelt jeder Schritt eine tiefe Integration von Physik und Technik wider. Mit dem Fortschritt der MEMS-Technologie wird INS kostengünstiger, genauer und kompakter und findet breitere Anwendungen in autonomen Fahrzeugen, Robotik und intelligenten Wearable-Geräten.

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