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

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

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GPS und InertialsystemeGPS und Inertialsysteme

Seminar Zur Geoinformation

Von: Peter Heinrich

Betreuer: H-J Fuhlbrügge

ÜberblickÜberblick

• Sensornavigation (Thomas Telega)

• GPS und Inertialsysteme (Peter Heinrich)

• GPS und Mobilfunk (Lucas Schult)

• Routenplanung (Christian Nitsche)

GliederungGliederung

GPS

Inertialsysteme / Inertiale Messysteme

Zusammenfassung

GPSGPS

NAVSTAR GPS ( NAVigation Satellite Timing And Ranging – Global Positioning System )seit 1977 im Einsatz

Unterteilung in -Raumsegment-Kontrollsegment-Nutzersegment

MessprinzipMessprinzip

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

DDifferentialifferential GPS GPS• Referenzempfänger• Ermittelung der Abweichungen zum Sollwert• Berechnung der Korrekturwerte• Übermittelung der Korrekturwerte über

• LW• UKW• RDS

Vergleich der VerfahrenVergleich der Verfahren

Verfahren Messprinzip Genauigkeit [m]

Systempreis [€]

GPS – Navigation Codemessung ~ 10 << 500

DGPS – Navigation (+ Korrekturdatenempfänger)

Codemessung 1 – 5 500 – 1.000

DGPS – Navigation (+ Korrekturdatenempfänger)

Phasenmessung 0.3 – 1 < 5.000

FazitFazit

Aufgrund der Genauigkeit und den Fehlereinflüssen, ist GPS oder DGPS alleine nicht ausreichend für die Navigation.

Zusammenarbeit mit anderen „autonomen Systemen“

NavigationssystemeNavigationssysteme

Inertiale MesssystemeInertiale Messsysteme

Grundidee:

Messen der Beschleunigung und der Dreharten an den drei Achsen eines fahrzeugspezifischen Koordinatensystems

Definition eines InertialsystemsDefinition 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 InertialsystemsMerkmale eines Inertialsystems

• Es gelten die newtonschen Bewegungsgleichungen

• Ist durch die Galileische Transformation charakterisiert

Newtonsche Newtonsche BewegunsgleichungBewegunsgleichung

Trägheitsprinzip– Ein sich selbst überlassener Körper, auf den

keine resultierende Kraft wirkt, bewegt sich gerade und gleichförmig

Galileische Relativitätsprinzip Galileische Relativitätsprinzip und Transformationund 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.

Beispiele Inertialer SystemeBeispiele Inertialer Systeme

Inertiale VermessungInertiale Vermessung

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

Inertiale MesssystemeInertiale 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) SystemePlattform(festes) SystemeStrapdown 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

Plattformstabilisierte SystemePlattformstabilisierte 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 MesseinheitInertiale Messeinheit

Sensoren in Inertialen MessystemenSensoren in Inertialen Messystemen

• Tachometer• Radsensoren• Odometer

(Sensoren des ABS)

• Kreisel

KreiselKreisel

• heute geläufigste Form der Sensoren• ständig verfügbar• über kurze Zeitintervalle deutlich bessere

Fehlereigenschaften als GPS

Arten von KreiselnArten von Kreiseln

• Mechanische Kreisel• piezo-elektr. Vibrationskreisel• Optische Kreisel• Ringleiterkreisel• Glasfaserkreisel

Mechanische KreiselMechanische Kreisel

bsp.: Wendekreisel

•schnell rotierende Masse

•um 3 Achsen beweglich

teuer

VibrationskreiselVibrationskreisel

• piezo-elekt. Vibrationskreisel

günstig

Optische KreiselOptische 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 KreiselnGenauigkeiten von Kreiseln

Genauigkeit ist abhängig von

• Temperatur

• Messbereich

• Auflösung

• Nullpunkt ( Reproduzierbarkeit / Stabilität / g-Empfindlichkeit)

• Rauschen

• magnetische Empfindlichkeit

Inertiale MesssystemeInertiale Messsysteme (Vorraussetzungen)(Vorraussetzungen)

• Definition der einzelnen Koordinatensysteme (Messkoordinatensystem (allg. kein I-System) / „Bezugs-“ Inertialsystem)

• Formulierung der Transformationsgleichung vom Messkoordinatensystem ins Navigationskoordinatensystem

Positionierung des IM im KFZPositionierung 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 DarstellungGrafische Darstellung

IMU

GPS

NavigationsComputer

Filter

Kalman-Filter Ergebnis

Verwendung in der PraxisVerwendung in der Praxis

heute wird normalerweise kein DGPS verwendet

es werden GPS Empfänger und Sensoren eines Inertialsystems (Koppelortung) zusammengeschaltetreicht für die Praxis aus