In der Welt der Navigation ist eine präzise Messung der Orientierung von entscheidender Bedeutung, um eine effiziente Bewegung zu gewährleisten. Ein beliebtes Instrument zur Messung der Beschleunigung und Winkelgeschwindigkeit eines Objekts ist die Messeinheit (IMU). IMUs der Navigationsklasse sind in der Luft- und Raumfahrt, zu Lande und zu Wasser sowie in militärischen Anwendungen weit verbreitet. Dieser Artikel soll Ihnen ein Verständnis für IMUs der Navigationsklasse vermitteln, indem er ihre Definition, die Unterscheidungsmerkmale von IMU-Typen, praktische Anwendungen, Kalibrierungsmethoden und die Integration in Navigationssysteme erläutert.
Was ist eine Navigation Grade IMU?
Eine IMU ist ein elektronisches Gerät, das aus Beschleunigungsmessern und Gyroskopen besteht, die die lineare Beschleunigung und die Rotationsgeschwindigkeit eines Objekts messen. Die Kombination dieser Messungen liefert Informationen über die Position und Ausrichtung des Objekts relativ zu einem Referenzrahmen. Navigation Grade IMUs sind so konzipiert, dass sie hochpräzise und stabile Messungen der Ausrichtung eines Objekts liefern.
Der Hauptunterschied zwischen Navigation Grade IMUs und anderen Typen von IMUs liegt in ihrer Genauigkeit, Stabilität und Zuverlässigkeit. Navigation Grade IMUs bieten eine höhere Genauigkeit und Stabilität als handelsübliche IMUs und eignen sich daher für Anwendungen, bei denen eine hochpräzise Positionierung erforderlich ist.
Arten von IMUs
Auf dem Markt gibt es heute verschiedene Arten von IMUs, die sich in Design, Technologie und Genauigkeit unterscheiden. Dazu gehören MEMS-basierte IMUs, faseroptische Gyroskope (FOGs) und Ringlaserkreisel (RLGs).
MEMS-basierte IMUs nutzen die Technologie der mikroelektromechanischen Systeme (MEMS), um Bewegungsänderungen zu erkennen. Sie sind in der Regel klein, leicht und relativ preisgünstig. Ihre Genauigkeit ist jedoch begrenzt, so dass sie für hochpräzise Anwendungen nicht geeignet sind.
Faseroptische Gyroskope (FOGs) basieren auf dem Sagnac-Effekt, der besagt, dass die Drehung eines Interferometers mit geschlossenem Kreislauf eine Phasenverschiebung des durchlaufenden Lichts bewirkt. Dieser Effekt wird genutzt, um die Drehrate zu messen. FOGs bieten eine höhere Genauigkeit als MEMS-basierte IMUs, aber sie sind teuer und relativ groß.
Ringlaserkreisel (RLG) arbeiten nach demselben Prinzip wie FOGs, ersetzen aber die Faser durch einen Laserstrahl, der um einen Ringhohlraum kreist. RLGs bieten die höchste Genauigkeit aller IMU-Typen, sind aber auch die teuersten und größten.
Unterschiede zwischen IMUs der Navigationsklasse und anderen IMU-Typen
Navigation Grade IMUs unterscheiden sich von anderen IMUs in mehreren Punkten, darunter Genauigkeit, Stabilität, Zuverlässigkeit und Kosten.
Genauigkeit: IMUs der Navigationsklasse liefern hochpräzise Messungen der Ausrichtung eines Objekts mit einer Fehlerrate von nur 0,01 Grad pro Stunde. Im Gegensatz dazu weisen handelsübliche IMUs in der Regel Fehlerquoten von 1-5 Grad pro Stunde auf.
Stabilität: Navigation Grade IMUs bieten auch eine hohe Stabilität, was bedeutet, dass sie ihre Genauigkeit über lange Zeiträume beibehalten. Diese Stabilität wird durch den Einsatz fortschrittlicher Technologien wie Rückkopplungssysteme mit geschlossenem Regelkreis, Umweltkompensation und interne Kalibrierungsverfahren erreicht.
Verlässlichkeit: Navigation Grade IMUs sind für den Betrieb in rauen Umgebungen ausgelegt und halten extremen Bedingungen stand, was sie im Vergleich zu kommerziellen IMUs sehr zuverlässig macht.
Kosten: Navigation Grade IMUs sind aufgrund ihrer hohen Präzision, fortschrittlichen Technologie und Zuverlässigkeit teurer als kommerzielle IMUs.
Verwendungszwecke von IMUs der Navigationsklasse
Navigation Grade IMUs werden in verschiedenen Anwendungen eingesetzt, unter anderem:
Luft- und Raumfahrtindustrie: Navigation Grade IMUs spielen eine entscheidende Rolle in der Luft- und Raumfahrtindustrie, wo sie in der Raumfahrzeugnavigation, der Lageregelung und in Leitsystemen eingesetzt werden. Sie werden auch in Autopiloten für Flugzeuge, Drohnen und unbemannte Luftfahrzeuge (UAVs) eingesetzt.
Autonome Fahrzeuge: Navigation Grade IMUs werden in autonomen Fahrzeugen verwendet, einschließlich selbstfahrender Autos und unbemannter Bodenfahrzeuge (UGVs). Sie liefern präzise Informationen über die Ausrichtung des Fahrzeugs, was für eine genaue Positionierung und Steuerung unerlässlich ist.
Schiffsnavigation: IMUs der Navigationsklasse werden in Schiffsnavigationssystemen verwendet, um genaue Informationen über die Ausrichtung, den Kurs und die Bewegung eines Schiffes zu liefern. Sie werden auch in Offshore-Bohrinseln und Unterwasserfahrzeugen eingesetzt.
Militärische Anwendungen: IMUs der Navigationsklasse werden in großem Umfang in militärischen Anwendungen eingesetzt, einschließlich der Lenkung von Flugkörpern, der Zielverfolgung und der Aufklärung.
Kalibrierungstechniken für IMUs der Navigationsklasse IMUs der Navigationsklasse müssen kalibriert werden, um ihre Genauigkeit und Stabilität zu erhalten. Die Kalibrierung umfasst die Korrektur von Fehlern in den IMU-Messungen, die durch Faktoren wie Temperatur, Verzerrung, Skalierungsfaktor und Fehlausrichtung verursacht werden. Zu den gängigsten Kalibrierverfahren gehören:
Bias-Kalibrierung: Hierbei wird die Ausgabe der IMU im Stillstand gemessen, um eine eventuelle Abweichung oder Verzerrung zu ermitteln, die die Messungen beeinflusst.
Kalibrierung des Skalierungsfaktors: Hierbei werden die Änderungen der Ausgabe gemessen, wenn die IMU verschiedenen Beschleunigungswerten ausgesetzt wird, um Skalierungsfehler zu korrigieren.
Fehlausrichtung Kalibrierung: Hierbei wird die Differenz zwischen der IMU-Messachse und der Referenzachse gemessen, um Fehlausrichtungen zu korrigieren.
Integration mit anderen Navigationssystemen
Navigation Grade IMUs werden häufig mit anderen Navigationssystemen integriert, um deren Genauigkeit und Zuverlässigkeit zu verbessern. Zu den gängigsten Systemen gehören:
GPS: Navigation Grade IMUs können mit GPS integriert werden, um genaue Positionsdaten zu liefern. Die IMU-Messungen können verwendet werden, um GPS-Fehler zu kompensieren, die durch Faktoren wie ionosphärische Verzögerung, Signalblockierung und Mehrwegeffekte verursacht werden.
GNSS: Globale Navigationssatellitensysteme (GNSS) wie Galileo, GLONASS und BeiDou können auch mit IMUs der Navigationsklasse integriert werden, um genaue Positionsdaten zu liefern. Die IMU-Messungen können verwendet werden, um GNSS-Fehler zu kompensieren, die durch Faktoren wie atmosphärische Störungen, Satellitenuhrfehler und Empfängerrauschen verursacht werden.
Trägheitsnavigationssysteme (INS): Navigation Grade IMUs können mit INS integriert werden, um eine hochpräzise Navigationslösung zu bieten. Ein INS nutzt die IMU-Messungen zur Schätzung der Position, Geschwindigkeit und Lage des Fahrzeugs, die dann mit anderen Sensordaten zu einer vollständigen Navigationslösung zusammengeführt werden.
Schlussfolgerung
Navigation Grade IMUs spielen eine wesentliche Rolle in verschiedenen Anwendungen, einschließlich Luft- und Raumfahrt, Land-, See- und Militärnavigation. Sie unterscheiden sich von anderen IMU-Typen durch ihren Genauigkeitsgrad, ihre Stabilität, ihre Zuverlässigkeit und ihre Kosten. Navigation Grade IMUs bieten eine höhere Genauigkeit und Stabilität als handelsübliche IMUs und eignen sich daher für Hochpräzisionsanwendungen. Kalibrierungstechniken wie Bias-Kalibrierung, Skalenfaktor-Kalibrierung und Kalibrierung von Ausrichtungsfehlern werden verwendet, um ihre Genauigkeit zu erhalten, während die Integration mit anderen Navigationssystemen wie GPS, GNSS und INS ihre Leistung verbessert.
Im Zuge des technologischen Fortschritts werden IMUs der Navigationsklasse weiterhin eine entscheidende Rolle in Navigationssystemen spielen, da sie genaue und zuverlässige Orientierungsmessungen für eine sichere und effiziente Fortbewegung liefern.
