GPS und Inertialsysteme

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

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

3. Gliederung GPS Inertialsysteme / Inertiale Messysteme Zusammenfassung

4. GPS NAVSTAR GPS ( NAVigation Satellite Timing And Ranging – Global Positioning System ) seit 1977 im Einsatz Unterteilung in • Raumsegment • Kontrollsegment • Nutzersegment

5. Messprinzip • Satelliten als hochfliegende Festpunkte • Räumlicher Bogenschnitt ( Streckenmessung ) • 2 Trägerfrequenzen • Trägerphasenmessung • Codemessung

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

7. Vergleich der Verfahren

8. Fazit Aufgrund der Genauigkeit und den Fehlereinflüssen, ist GPS oder DGPS alleine nicht ausreichend für die Navigation. • Zusammenarbeit mit anderen „autonomen Systemen“

9. Navigationssysteme

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

11. 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)

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

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

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

15. Beispiele Inertialer Systeme

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

17. 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

18. Plattform(festes) SystemeStrapdown 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

19. 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)

20. Inertiale Messeinheit

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

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

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

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

25. Vibrationskreisel • piezo-elekt. Vibrationskreisel • günstig

26. 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

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

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

29. 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

30. Grafische Darstellung IMU Navigations Computer Kalman- Filter Ergebnis GPS Filter

31. 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