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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)
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“
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.
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)
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
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