Einführung in die Trägheitstechnologie

(3) Systemzusammensetzung eines Inertialnavigationssystems

Das Inertialnavigationssystem (INS) ist eine vollständig autonome Navigationslösung, die in der Luft- und Raumfahrt, bei UAVs, Schiffen, Robotern und High-End-Industrieanwendungen weit verbreitet ist. Im Gegensatz zu satellitengestützten Systemen ist ein INS nicht auf externe Signale angewiesen. Stattdessen berechnet es Position, Geschwindigkeit und Lage ausschließlich über interne Sensoren und Algorithmen.

Dieser Artikel erklärt die vollständige Systemzusammensetzung eines INS und wie seine Subsysteme zusammenarbeiten, um eine präzise und zuverlässige Navigation zu gewährleisten.

1. Überblick über das Inertialnavigationssystem

Ein INS bestimmt die Bewegung einer Plattform, indem es kontinuierlich die Beschleunigung und die Winkelgeschwindigkeit misst. Diese Messungen werden durch Navigationsalgorithmen verarbeitet, um Folgendes zu berechnen:

• Position

• Geschwindigkeit

• Lage (Roll, Nick, Gier)

Um dies zu erreichen, integriert ein INS eine Kombination aus Präzisionshardware, mechanischen Strukturen, Elektronik und Kalibrierungsmethoden.

2. Systemzusammensetzung

Die Kernkomponenten eines Inertialnavigationssystems umfassen:

(1) Inertiale Messeinheit (IMU)

Die IMU ist der Sensor-Kern des INS. Sie integriert:

• Gyroskop
  Misst die Winkelgeschwindigkeit um drei Achsen.

• Beschleunigungsmesser
  Misst die lineare Beschleunigung entlang drei Achsen.

Zusammen liefern diese sechs Freiheitsgrade die Rohbewegungsdaten, die für Navigationsberechnungen benötigt werden.

(2) Navigationsrechner

Der Navigationsrechner ist dafür verantwortlich, die Rohsignale der IMU in nutzbare Navigationsinformationen umzuwandeln.

Er führt Folgendes aus:

• Datenerfassung und -verarbeitung
  Filtern, Abtasten und Umwandeln von Sensorausgaben.

• Navigationslösung
  Implementiert Algorithmen wie Strapdown-Berechnung, Lageintegration, Geschwindigkeitsaktualisierung und Positionsberechnung.

• Fehlerkompensation
  Wendet Kalibrierungsdaten, Bias-Entfernung, Skalierungsfaktorkorrektur und Temperaturkompensation an.

(3) Dämpfungssystem

Um eine gleichbleibende Genauigkeit zu gewährleisten, stabilisiert das Dämpfungssystem die Plattformbewegung und reduziert den Einfluss von Vibrationen, Stößen und mechanischen Störungen.

Seine Funktionen umfassen:

• Minimierung des Sensorrauschens, das durch Vibrationen verursacht wird

• Bereitstellung von Dämpfung für mechanische Schwingungen

• Unterstützung der Präzisionsausrichtung

Das Dämpfungsdesign ist besonders wichtig in Luft- und Mobilanwendungen.

(4) Elektronisches System

Das elektronische System bietet Energiemanagement, Signalaufbereitung und Kommunikationsschnittstellen.

Wichtige Elemente:

• Stromregelung und -verteilung

• Digitale Signalverarbeitungsschaltungen

• Kommunikationsprotokolle (CAN, RS422, Ethernet usw.)

• Systemüberwachung und -schutz

(5) Mechanische Struktur

Die mechanische Struktur bildet die physische Grundlage des INS.
Eine gut konzipierte mechanische Struktur verbessert:

• Vibrationsbeständigkeit

• Thermische Stabilität

• Langfristige strukturelle Integrität

• Umweltverträglichkeit

Dieser Teil stellt sicher, dass das System unter anspruchsvollen Bedingungen konsistent arbeitet.

3. Parameterinitialisierung und Kalibrierungsmechanismen

Um eine optimale Genauigkeit zu erreichen, benötigt ein INS mehrere Kalibrierungs- und Initialisierungsebenen.

(1) Anfangsparameter

Dazu gehören Sensor-Bias, Einbauwinkel, Skalierungsfaktoren und Umgebungskoeffizienten.

(2) Anfangsposition

Das System benötigt eine genaue Startkoordinate, um mit den Navigationsberechnungen zu beginnen.

(3) Temperaturkalibrierung

IMU-Sensoren sind sehr temperaturempfindlich.
Die Temperaturkalibrierung kompensiert:

• Bias-Drift

• Änderungen des Skalierungsfaktors

• Nichtlineare Temperatureffekte

Dies ist für eine hochpräzise Leistung unerlässlich.

(4) Anfangsausrichtung und Kalibrierung

Die Anfangsausrichtung legt die Lagereferenz (Roll / Nick / Gier) fest.
Zwei gängige Ausrichtungstypen:

• Statische Ausrichtung– wird durchgeführt, wenn das System stationär ist

• Dynamische Ausrichtung– wird während der Bewegung durchgeführt, unterstützt durch Algorithmen

Die richtige Ausrichtung gewährleistet eine genaue Kurs- und Lagenausgabe während des Betriebs.

4. Ausgabe des INS

Nach der Verarbeitung aller Sensordaten und der Anwendung von Korrekturen gibt das INS Folgendes aus:

• Lage (Roll, Nick, Gier)

• Geschwindigkeit (Nord/Ost/Unten oder XYZ)

• Position (GPS-Koordinaten oder lokales Koordinatensystem)

• Fehlerparameter (Diagnose, Status, Qualitätsindikatoren)

Die Genauigkeit dieser Ausgaben hängt von der Sensorqualität, der Vollständigkeit der Kalibrierung und der Algorithmusleistung ab.

5. Fazit

Das Inertialnavigationssystem ist eine komplexe, aber leistungsstarke Technologie, die auf präzisen Sensoren, hochentwickelten Algorithmen und fortschrittlichen Kalibrierungsprozessen basiert. Seine Fähigkeit, eine ununterbrochene Navigation in GNSS-gestörten Umgebungen zu ermöglichen, macht es in modernen Luft- und Raumfahrt-, Verteidigungs-, Robotik- und Industrieanwendungen unersetzlich.

Das Verständnis der vollständigen INS-Systemzusammensetzung – IMU, Navigationsrechner, Dämpfung, elektronisches Subsystem, mechanische Struktur und Kalibrierungsablauf – hilft Benutzern, seine Tiefe und technische Bedeutung zu verstehen.