Inertiales Navigationssystem
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Ein Inertiales Navigationssystem (INS) dient zur Messung der Orientierungs- und Positionsänderungen bewegter Objekte und Fahrzeuge wie Flugzeuge, Raumschiffe und Mess-Fahrzeuge.
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[Bearbeiten] Grundprinzip
Die Inertialnavigation – auch Trägheitsnavigation – beruht auf dem Prinzip der Integration gemessener Beschleunigungen und Drehungen zur Bestimmung von Lagewinkeln, Geschwindigkeit und Position im Raum.
Hochsensible Beschleunigungsmesser in drei Achsen registrieren Beschleunigungen in den drei Raumrichtungen. Über die Zeit integriert, ermitteln sie Geschwindigkeiten und nochmals integriert zurückgelegte Wegstrecken in eben diesen Raumrichtungen. Der kompliziertere Teil des INS ist die Kreiselplattform. Diese Plattform, gestützt durch zwei vollkardanisch aufgehängte Kreisel (Stabile Ebene und stabile Richtung) besitzt im Idealfall (meist durch Reibung verfälscht) absolute Raumstabilität, womit nun eindeutig die Lage des Gefährts im Raum festgelegt werden kann. Diese Raumstabilität führt nun aber bei uns auf der Erde auch zu Problemen. So muss die Drehung der Erde um die Sonne (0,041 deg/h) und die Erddrehung selbst (15 deg/h) kompensiert oder herausgerechnet werden. Der letzte Schritt in der Berechnung ist nun, aus der Beschleunigung, die zunächst mit Kenntnis der Lagewinkel (-> Stabilisierte Plattform: die Beschleunigungssensoren sind im Idealfall stets horizontal ausgerichtet und messen keinen Anteil der Erdschwere, während der Vertikal-Beschleunigungsaufnehmer den kompletten Anteil der Erdschwere misst) von der Erdschwerebeschleunigung befreit werden kann (ca. 9,81 m/s²), und der damit errechneten Geschwindigkeit, diese wieder über die Zeit zu integrieren und mit der, durch den Kreisel gemessenen, Raumlage in Zusammenhang zu bringen. Daraus ergibt sich nun der auf der Erde zurückgelegte Weg. Selbes gilt entsprechend im Weltraum.
Daten die durch ein INS gewonnen werden können:
- Beschleunigung
- Geschwindigkeit
- Zurückgelegte Distanz
- Winkelbeschleunigung
- Raumposition
- Zurückgelegte Strecke über Grund oder im absoluten Raum.
Komplizierte Algorithmen passen dann noch das Koordinatensystem der Trägheitsplattform an, um die ermittelte Position in ein erdbezogenes Koordinatensystem zu überführen.
Die Inertialnavigation wurde in den 1950er Jahren vom amerikanischen Militär entwickelt und kam erstmals im Atom-U-Boot Nautilus zum Einsatz. Heutzutage ist sie auch in der Luftfahrt und Raumfahrt nicht mehr wegzudenken.
Speziell in der Raumfahrt wird die Inertialnavigation nur sparsam benutzt, da diese über die Zeit (beispielsweise durch die angesprochene 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 Sextanten 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 die IMU eingeschaltet und justiert, was etwa 45 Minuten bis eine Stunde Zeit in Anspruch nahm. Nach den Korrekturen wurde die IMU wieder ausgeschaltet.
Allerdings ist die Mechanisierung heute nicht mehr als anfällige stabilisierte mechanische Plattform, sondern in sog. Strapdown-Technik (engl.: angeschnallt) realisiert. Dabei sind alle drei Drehratensensoren und Beschleunigungsaufnehmer fest mit dem Fahrzeug verbunden und die Lagereferenz wird vollständig analytisch auf einem leistungsfähigen Rechner in Echtzeit bestimmt (sog. Strapdown-Algorithmus).
[Bearbeiten] Bauteile und Plattformtypen
Die Messplattform wird durch elektronische (Laser-Gyroskop mit Lageregelung) oder mechanische Kreisel (Kreiselmotoren) stabilisiert. Auf ihr befinden sich 3 Beschleunigungsmesser (Accelerometer), deren Anzeige 20-100mal pro Sekunde registriert wird. Drei Bauarten sind in Gebrauch:
a) Erdorientierte Plattform: für Luftfahrt und U-Boote, vorherrschend bis etwa 1980. Der Horizont wird durch Regelkreise der Erdkrümmung und Fahrt nachgestellt.
b) Raumorientierte Plattform: für Raketen und Flugkörper, ausgerichtet auf fixe Richtungen im Weltraum oder im Inertialsystem.
c) Fahrzeugorientiert: "Strap Down" (am Fahrzeug "festgeschnallt"), ab etwa 1975 inkl. Laserkreiseln, für Militärflugzeuge; heute auch zu Land vorherrschend. Zusätzlich zu den drei translatorischen Beschleunigungskomponenten werden drei Drehgeschwindigkeitskomponenten gemessen.
[Bearbeiten] Einrichten und Kalibrieren
Vor Inbetriebnahme muss das System länger hochgelaufen und thermisch stabil sein. Dann wird die erdorientierte Plattform (a) horizontiert und nach Norden ausgerichtet. Bei den Systemen (b) und (c) ist vor dem Start die genaue Ausrichtung des Fahr- bzw. Flugzeugs mit Miren zu messen.
Im Betrieb wirken viele Fehlereinflüsse. Die wichtigsten sind Kreiseldrift, Achsnichtorthogonalität, Maßstabs- und Nullpunktsfehler. Sie bewirken ein quadratisches Anwachsen des Ortungsfehlers in der Zeit, was durch Modellierung der Fehler und durch Regelkreise vermindert wird.
[Bearbeiten] Einsatzgebiete und Besonderheiten
- Luftfahrt: Zur Bestimmung der Fluglage im Instrumentenflug und als Ergänzung der Funknavigation. Diese Geräte gehören bei Verkehrsflugzeugen zur Grundausrüstung und werden als Rack zum Einschieben konstruiert. Erst drei Systeme bieten Sicherheit (eine Differenz von zweien ist noch nicht wertbar, da bei unterschiedlichen Werten nicht ermittelt werden kann, welches korrekt arbeitet und welches abweicht). Fehler: 1-3 km pro Stunde.
- Bildflug: Steuerung von Messflugzeugen und ihren Kameras für die Herstellung von Landkarten.
- Bergwerke: eindimensionale Systeme für vertikalen Schacht und horizontalen Stollen; relativ preiswert.
- Fahrzeugnavigation: mit Landrover- oder ähnlichen Messfahrzeugen in Ländern wie Kanada zunehmend im Einsatz für Fernerkundung und Geoinformationssysteme.
- Geodäsie: wie (4.) mit zusätzlichen Zwischenstopps alle 3-5 Minuten, um das System im Stillstand neu zu kalibrieren. Dadurch Genauigkeiten einiger Dezimeter möglich.
- Schiffbau-Versuchsanstalten: Messung der Bewegungen infolge Seegang oder Manövrieren, auch U-Boote und AUVs.
