GNSS/INS (GNSS-gestütztes INS) für Drohnen und unbemannte Fahrzeuge

Moderne unbemannte Fahrzeuge sind in hohem Maße auf Navigationsgenauigkeit und -stabilität angewiesen. Herkömmliche Trägheitsnavigationssysteme (INS), die auf Trägheitssensoren wie Beschleunigungsmessern und Gyroskopen basieren, sind für die präzise Steuerung und Positionierung von Flugzeugen, UAVs und anderen unbemannten Systemen unverzichtbar.unmannedsystemstechnology.com/expo/drone-accelerometers/”>Beschleunigungsmessern und Gyroskopen basieren, berechnen Position und Geschwindigkeit durch kontinuierliche Integration von Beschleunigungs- und Winkelgeschwindigkeitsdaten. Dies bietet eine hervorragende Kurzzeitleistung und Unabhängigkeit von externen Signalen. Allerdings kann Drift ein Problem darstellen: Kleine Sensorfehler summieren sich im Laufe der Zeit und führen zu Positionsungenauigkeiten.

GNSS/INS ist ein Fusionsansatz, der INS mit GNSS-basierten Aktualisierungen kombiniert und so ein konsistentes und begrenztes Fehlerwachstum gewährleistet. GNSS bietet eine periodische absolute Positionierung, korrigiert Drift und verbessert die Betriebssicherheit erheblich, was für Langzeitmissionen oder Umgebungen, in denen ein eigenständiges INS unter kumulativen Fehlern leiden kann, von entscheidender Bedeutung ist.

Was ist GNSS/INS und wie funktioniert es?

GNSS/INS, NAUTILUS, von Honeywell Aerospace.

GNSS/INS ist eine hybride Navigationsmethode, die satellitengestützte Positionsbestimmung (von GPS, Galileo, GLONASS, BeiDou) mit Trägheitsdaten kombiniert, um genaue, kontinuierliche Positions- und Orientierungsschätzungen zu erstellen. Datenfusionsalgorithmen, die häufig Kalman-Filter oder erweiterte Varianten verwenden, synthetisieren GNSS-Fixpunkte mit IMU-Messungen, um den Zustand des Fahrzeugs und die Fehlerkovarianz zu schätzen.

Die Hauptkomponenten von GNSS/INS sind:

• IMU (Inertial Measurement Unit, Trägheitsmesseinheit), die bereits in herkömmlichen INS eine entscheidende Rolle spielt, arbeitet nun mit GNSS zusammen.
• GNSS-Empfänger liefert die absolute Position und Geschwindigkeit.
• RTK-Korrekturen
• Der Kalman-Filter für die Sensorfusion führt Daten zusammen, um robuste Navigationslösungen zu generieren.

Diese Architektur ermöglicht eine Navigation nach Koppelnavigation, wodurch das INS die Position zwischen den GNSS-Aktualisierungen schätzen kann. Dadurch kann das integrierte System auch in Umgebungen mit unterbrochenen oder gestörten GNSS-Signalen, wie z. B. bei längeren Drohnenmissionen, in städtischen Schluchten oder in Innenräumen, eine zuverlässige Positionierung aufrechterhalten.

Sensorfusion: Echtzeit-Verbindung zwischen GNSS und INS

Das Herzstück von GNSS/INS ist die Sensorfusion, die IMU und GNSS kombiniert, um ihre jeweiligen Stärken zu nutzen. Der Kalman-Filter schätzt dynamisch die Navigationslösung und Sensorfehler, während Techniken wie die Koppelnavigation die Kontinuität zwischen den GNSS-Positionsbestimmungen gewährleisten. Diese hybride Navigation sorgt für eine hohe Genauigkeit der Trägheitsnavigation unter dynamischen Flugbedingungen und bei kurzfristigen GNSS-Ausfällen.

Vorteile gegenüber herkömmlichen INS

Im Vergleich zu einem eigenständigen Trägheitsnavigationssystem bietet die GNSS/INS-Integration klare Vorteile:

• Reduzierte Drift und Fehlerbegrenzung
• Zuverlässige Fahrzeuglokalisierung in Umgebungen mit schlechter Signalqualität
• Verbesserte Systemrobustheit und Autonomie
• Verbesserte Integrität und Fehlererkennung durch GNSS-Unterstützung
• Optimierte Leistung für hochpräzise Navigation

Zusammen heben diese Vorteile mit GNSS/INS ausgestattete Drohnen und unbemannte Fahrzeuge über die Grenzen der reinen Koppelnavigation hinaus.

Anwendungen, die gegenüber herkömmlichen INS von GNSS/INS profitieren

Luftbildvermessung und Kartografie

In Photogrammetrie, LiDAR und hochauflösender Kartierungist eine Genauigkeit im Zentimeterbereich von entscheidender Bedeutung. Mit GNSS/INS ausgestattete Drohnen bieten eine hochpräzise Navigation und stellen sicher, dass die Sensoren für die Georeferenzierung korrekt ausgerichtet sind. Herkömmliche INS würden bei langen Flugstrecken abdriften; GNSS/INS behält seine Genauigkeit auch über große Vermessungsgebiete hinweg bei.

GNSS/INS, ANELLO GNSS INS, von ANELLO Photonics.

Infrastrukturinspektion (Brücken, Pipelines, Stromleitungen)

Die Inspektion von Infrastruktur erfordert häufig die Nähe zu Bauwerken, langsame Flüge in deren Umgebung und ist anfällig für GNSS-Schatten. GNSS/INS ermöglicht Inspektionsdrohnen, auch in Gebieten mit eingeschränkter GNSS-Empfangsqualität eine genaue Position und Ausrichtung beizubehalten, wodurch die Datenintegrität gewährleistet und die Anzahl der Wiederholungsflüge reduziert wird.

Überwachung in der Land- und Forstwirtschaft

Drohnen, die über Feldern oder bewaldetem Gelände eingesetzt werden, benötigen eine zuverlässige Navigation, um vordefinierte Routen abzudecken. GNSS/INS ermöglicht eine konsistente Präzision auf RTK-Niveau und unterstützt die automatisierte Analyse des Gesundheitszustands von Nutzpflanzen sowie forstwirtschaftliche Vermessungen über mehrere Flugmissionen hinweg.

Lieferung und Logistik

Mit der Weiterentwicklung von Drohnenlieferungssystemen wird eine präzise Navigation zwischen Verteilzentren und Abwurfzonen unerlässlich. GNSS/INS gewährleistet die Routentreue und mindert Abweichungen in Gebieten ohne GNSS-Empfang, wie beispielsweise in städtischen Korridoren, und ermöglicht so eine wiederholbare und zuverlässige Leistung.

Suche und Rettung sowie öffentliche Sicherheit

In Katastrophengebieten oder schwierigem Gelände gewährleisten mit GNSS/INS ausgestattete Ersthelfer-Drohnen die Navigation auch bei Störungen des GNSS-Signals. In Kombination mit anderen Sensoren unterstützt die integrierte Navigation Rettungsdienste und Such- und Rettungskräfte dabei, sich ein zuverlässiges Lagebild zu verschaffen.

Autonome unbemannte Boden- und Seesysteme

GNSS/INS ist nicht auf den Einsatz in der Luft beschränkt, sondern unterstützt auch autonome UGVs und Überwasserschiffe. Diese Plattformen nutzen GNSS/INS zur Wegverfolgung, Hindernisvermeidung und zur Situationserkennung, was sich als zuverlässiger erwiesen hat als reine INS-Systeme.

Herausforderungen und Überlegungen

GNSS/INS bietet zwar leistungsstarke Funktionen, für einen erfolgreichen Einsatz müssen jedoch folgende Punkte beachtet werden:

• Kalibrierung von Trägheitssensoren und Temperaturkompensation
• Umgang mit Mehrwegeeffekten, Signallatenz und zeitweiligen Blockaden
• Anpassung von Kalman-Filtern für die Sensorfusion an unterschiedliche dynamische Profile
• Hardware-Kompromisse: Abwägen von IMU-Qualität, GNSS-Genauigkeit und SWaP
• Integritätsüberwachung und Fehlererkennung sind entscheidend für sicherheitskritische Missionen

Diese Überlegungen fließen in die Konstruktion robuster GNSS/INS-Systeme in unbemannten Fahrzeugen ein.

Überblick über GNSS/INS für unbemannte Fahrzeuge

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Integration von GNSS/INS die Navigation unbemannter Systeme revolutioniert und herkömmliche INS in Bezug auf Genauigkeit, Zuverlässigkeit und Autonomie übertrifft. Ob für präzise Kartierung, Infrastrukturinspektion, Logistik oder öffentliche Sicherheit – GNSS/INS ermöglicht Drohnen, Landfahrzeugen und Meeresrobotern einen stabilen Betrieb auch bei GNSS-Störungen. Mit den Fortschritten in der Sensorfusion und der Miniaturisierung der Hardware steht GNSS/INS im Mittelpunkt der Navigation der nächsten Generation für autonome Unternehmungen.