GPS und Inertialsysteme Seminar Zur Geoinformation GPS und Inertialsysteme Von: Peter Heinrich Betreuer: H-J Fuhlbrügge

Überblick Sensornavigation (Thomas Telega) GPS und Inertialsysteme (Peter Heinrich) GPS und Mobilfunk (Lucas Schult) Routenplanung (Christian Nitsche)

Inertialsysteme / Inertiale Messysteme Gliederung GPS Inertialsysteme / Inertiale Messysteme Zusammenfassung

GPS NAVSTAR GPS Unterteilung in Raumsegment Kontrollsegment ( NAVigation Satellite Timing And Ranging – Global Positioning System ) seit 1977 im Einsatz Unterteilung in Raumsegment Kontrollsegment Nutzersegment Raumsegement: 24 Satelliten 6 Bahnebenen 20200 km Höhe 12 h Kontrollsegment: 5 Stationen Kontrolle und Steuerung Bestimmung der Satelliten Bahnen und GPS Zeiten Nutzersegment: Antennen Empfangänger Stromversorgung

Messprinzip Satelliten als hochfliegende Festpunkte Räumlicher Bogenschnitt ( Streckenmessung ) 2 Trägerfrequenzen Trägerphasenmessung Codemessung Trägerfrequenzen mit aufmodulierten Codes L1 = 1,57 GHZ ( C/A-und P-Code) L2 = 1,23 GHZ ( P-Code ) Trägerphasenmesssung: Codemessung:

Differential GPS Referenzempfänger Ermittelung der Abweichungen zum Sollwert Berechnung der Korrekturwerte Übermittelung der Korrekturwerte über LW UKW RDS

Vergleich der Verfahren Messprinzip Genauigkeit [m] Systempreis [€] GPS – Navigation Codemessung ~ 10 << 500 DGPS – Navigation (+ Korrekturdatenempfänger) 1 – 5 500 – 1.000 Phasenmessung 0.3 – 1 < 5.000

Fazit Aufgrund der Genauigkeit und den Fehlereinflüssen, ist GPS oder DGPS alleine nicht ausreichend für die Navigation. Zusammenarbeit mit anderen „autonomen Systemen“ Fehlereinflüsse: Satellitenkonstellation Satellitenbahnfehler ~4,2m Satellitenuhrenfehler ~0,9m Einflüsse der Ionosphäre und Troposphäre Mehrwegeeffekte Signalstörungen ( Verlust / Rauschen ) => ~ 10m

Navigationssysteme

Inertiale Messsysteme Grundidee: Messen der Beschleunigung und der Dreharten an den drei Achsen eines fahrzeugspezifischen Koordinatensystems

Definition eines Inertialsystems Ein dreidimensionales kartesisches Koordinatensystem, welches nicht beschleunigt und auch z.B. die Rotationsschwankungen der Erde, aber auch die elliptische Bahn der Erde um die Sonne verursachen Beschleunigungen nicht rotierend ist. z.B. muss die Eigenrotation der Erde berücksichtigt werden Es besitzt eine absolute Zeit, (gleiche Zeit an allen Orten) aber kein Gravitationsfeld (rechnerischer Schwebezustand)

Merkmale eines Inertialsystems Es gelten die newtonschen Bewegungsgleichungen Ist durch die Galileische Transformation charakterisiert

Newtonsche Bewegunsgleichung Trägheitsprinzip Ein sich selbst überlassener Körper, auf den keine resultierende Kraft wirkt, bewegt sich gerade und gleichförmig

Galileische Relativitätsprinzip und Transformation besagt, dass alle Inertialsysteme gleichwertig sind Galileische Transformation Sie besagt, dass jedes Inertialsystem in jedes andere Inertialsystem durch eine Transformation überführt werden kann.

Beispiele Inertialer Systeme

Inertiale Vermessung Die Vermessung mit Hilfe von Sensoren, die Bewegungen eines Körpers gegenüber dem Inertialraum wahrnehmen.

Inertiale Messsysteme gehören zu den Trägheitsmessystemen bestehen aus drei zueinander orthogonalen Beschleunigunssensoren (z.B. Kreisel) Orientierung im Raum muss jederzeit bekannt sein. Beispiele sind Plattform(festes) Systeme Plattformstabilisierte Systeme

Plattform(festes) Systeme Strapdown Systeme Sensoren sind fest mit dem Fahrzeug verbunden Kreisel messen Orientierungsänderung Nach Auswertung der Messung kann zu jedem Zeitpunkt die Lage und der Ort des Körpers bestimmt werden arbeiten relativ und benötigen Informationen über Startpunkt Anfangsrichtung

Plattformstabilisierte Systeme Sind Systeme, die eine Ebene (Plattformebene) in einer bestimmten Ausrichtung gegenüber dem Inertialen Raum halten sollen. (z.B. mechanisch mit Hilfe von Servomotoren)

Inertiale Messeinheit

Sensoren in Inertialen Messystemen Tachometer Radsensoren Odometer (Sensoren des ABS) Kreisel

Kreisel heute geläufigste Form der Sensoren ständig verfügbar über kurze Zeitintervalle deutlich bessere Fehlereigenschaften als GPS

Arten von Kreiseln Mechanische Kreisel piezo-elektr. Vibrationskreisel Optische Kreisel Ringleiterkreisel Glasfaserkreisel

Mechanische Kreisel bsp.: Wendekreisel schnell rotierende Masse um 3 Achsen beweglich teuer

Vibrationskreisel piezo-elekt. Vibrationskreisel günstig

Optische Kreisel Faser Optischer Kreisel Preis und Größe zwischen mech. und piezo.-elektr. Kreiseln Leistungsfähigkeit erreicht fast mech. Kreisel in Zukunft vielleicht die meist verwendeten Kreiseltypen

Genauigkeiten von Kreiseln Genauigkeit ist abhängig von Temperatur Messbereich Auflösung Nullpunkt ( Reproduzierbarkeit / Stabilität / g-Empfindlichkeit) Rauschen magnetische Empfindlichkeit

Inertiale Messsysteme (Vorraussetzungen) Definition der einzelnen Koordinatensysteme (Messkoordinatensystem (allg. kein I-System) / „Bezugs-“ Inertialsystem) Formulierung der Transformationsgleichung vom Messkoordinatensystem ins Navigationskoordinatensystem

Positionierung des IM im KFZ Bestimmung Startpunkt und Anfangsrichtung Bestimmung der Drehrichtungen der Kreisel Messung der Beschleunigung und Strecken im fahrzeugfesten Bezugssystem Bestimmung der Transformationsmatrix aus gemessenen Kreiselsignalen Transformation in das Navigationskoordinatensystem

Grafische Darstellung IMU Navigations Computer Kalman- Filter Ergebnis GPS Filter

Verwendung in der Praxis heute wird normalerweise kein DGPS verwendet es werden GPS Empfänger und Sensoren eines Inertialsystems (Koppelortung) zusammengeschaltet reicht für die Praxis aus