Navigationslösungen mit GNSS und

Multisensorsystemen

Teil 1 „GNSS – Angebot für den Bereich Sensorik“ Dipl. Ing. Björn Rapelius

Teil 2 „GNSS - Kopplung IMU“ Dipl. Ing. Julia Hemmert

Definition von GNSS (Global Navigation Satellite System)

Das Global Navigation Satelliten System (GNSS) ist ein Netzwerk aus

Satelliten, welche durch das Aussenden von Signalen die Positionsbestimmung und

Navigation überall auf der Erde ermöglichen; Auf Land, zu Wasser oder in der Luft.

Das US Global Positioning System (GPS), das russische GLObal NAvigation

Satellite System (GLONASS) und das zukünftige europäische Satellitensystem

GALILEO sind Beispiele für GNSS.

GLONASS SatellitGPS Satellit zukünftiger GALILEO Satellit

Definition von Differential GNSS (DGNSS)

Differential Global Navigation Satelliten System (DGNSS) ist eine Bezeichnung für

Verfahren, wobei die Daten eines GNSS Empfängers an einer bekannten Position

(BASE) genutzt werden, um die Daten eines GNSS Empfängers an einer nahen

unbekannten Position (ROVER) zu korrigieren und so eine Genauigkeitssteigerung zu

erreichen.

Postprocessing Realtime Kinematic (RTK)

Datenspeicherung Datenspeicherung Datenübermittlung von Base zu Rover

Korrekturdaten vom ascos satellite positioning services

Highlights von ascos – satellite positioning services

der E.ON Ruhrgas AG

- 314 Stationen über ganz Deutschland, 182 genutzt

- Stationsabstand 70 – 100 km

- Korrekturen sind via GSM verfügbar

- Korrekturen sind via GPRS verfügbar

- Korrekturformate RTCM 2.0, 2.3, 3.0 und CMR

- Korrekturdatenmodellierung von VRS oder FKP

- ascos Service informiert über starke ionosphärische Störungen

- ascos Service ist 24h an 7 Tagen der Woche verfügbar

- ascos Hotline steht von 08:00 bis 18:00 Uhr zur Verfügung

- ascos Korrekturdaten sind auch für GLONASS erhältlich

- ascos Korrekturen können von allen genauen GNSS Empfängern verarbeitet werden.

Stationsübersicht

PED:2 cm Genauigkeit

ED:0,5 m Genauigkeit

GNSS- Mit Korrekturen im Submeter BereichJNS-100 GG

• Bis zu 100 Hz Rohdaten & Position• 50 Kanäle GPS & Glonass• Größe – 88 x 57 x 15 mm• Gewicht – 48g• Power – 6.5 to 40vdc• Geschwindigkeit – 0 bis 12km/s• Beschleunigung – >30g’s• Höhe – 20 000Km• Schockbeschleunigung – 500g’s• Temperatur – -30 to +85 °C• Shock & Vibration gemäß Mil Std 810E

In 34,5 sec zu einer Geschwindigkeit von 1208 m/s

GNSS – Mit Korrekturen im Zentimeter- Bereich

• 1 Hz bis 20 Hz Rohdaten und Position• 20 Kanäle L1/L2 GPS &GLONASS • Größe - 160 x 100 x 15mm• Gewicht – 170 g• Power – 4,8 bis 25 vdc

• Kompression der Mehrwegeeffekte • USB, Seriell, Ethernet Schnittstellen• Kompression von In-Band Interferenzen

Das Bild zeigt die Unterdrückung von Berechnungsfehlern aufgrund In-Band Interferenzen

GNSS – Mit Korrekturen im Zentimeter- BereichAlles in einer Box

• 1 Hz bis 20 Hz Rohdaten und Position• 20 Kanäle L1/L2 GPS &GLONASS • Größe - 159 x 115 x 172 mm• Gewicht – 1,7 kg• Power – 6 bis 28 vdc

• USB, Seriell, Schnittstelle

• Möglichkeiten für integrierte Kommunkationsboards:

GSM Modem915 MHz Spread Spectrum Funk ModemUHF Funk Modem Omnistar DecodierungsmodulEGNOS/WAAS EmpfängeroptionBeacon Decodierungsmodul

• MarAnt L1/L2 GPS&GLONASSMarAnt

915 MHz Funk

UHF Funk

GSM Modem

Maxor- GGDT

GNSS – Mit Korrekturen im Zentimeter- BereichMit Heading und Pitch

• 2 Antennensystem mit 2 interagierenden Boards

• 20 Kanäle L1 + L2 GPS/GLONASS pro Board

• 1 Hz bis 20 Hz Rohdaten und Position

• Heading 0,229°/L (L = Antennenabstand in Metern)

• Roll oder Pitch 0,458°/L (L = Antennenabstand in Metern)

• Rate of Turn (Winkelgeschwindigkeit) in °/Minute.

• Größe - 158 x 49 x 138 mm

• Gewicht - 1,795 kg

• Power – 4,5 bis 14 VDC

• Keine Kalibrierung notwendig!

GNSS – Mit Korrekturen im Zentimeter- BereichMit Heading , Pitch und Roll

• 4 Antennensystem mit 4 interagierenden Boards

• 20 Kanäle L1 + L2 GPS/GLONASS pro Board

• 1 Hz bis 20 Hz Rohdaten und Position

• Heading 0,229°/L (L = Antennenabstand in Metern)

• Roll und Pitch 0,458°/L (L = Antennenabstand in Metern)

• Größe - 110 x 90 x 130 mm

• Gewicht - 1,4 kg

• Power – 4,5 bis 14 VDC

• Einmalige Kalibrierung notwendig aber damit auch mm genaue Punktbestimmung

GNSS – Güte PPS Signalangebot für andere Sensorik

Alle GNSS Empfänger bieten die Möglichkeit über 1 bis 2 separate Ausgänge Zeittakte mit einer Genauigkeit von 25 Nanosekunden zu setzten.

GNSS – Frequenz Aus/Eingabe für/von andere Sensorik

Alle GNSS Empfänger akzeptieren externe Frequenzen von 5,10 und 20MHz.

Diese extern einfließenden Frequenzen werden von Oszillator des Empfängers als Referenzfrequenz angenommen.

Diese Möglichkeit kann Verwendung finden, wenn dem Empfänger ein driftendes Signal als Referenz aufgezwungen werden soll, sofern keine Satelliten sichtbar sind.

Der Empfänger seinerseits bietet Frequenzen von 5,10 und 20MHz als Referenz an.

GNSS – Zeitstempel 25 ns Genau setzten für andere Sensorik

Alle GNSS Empfänger bieten die Möglichkeit über 1 bis 2 separate Eingänge Zeitstempel mit einer Genauigkeit von 25 Nanosekunden zu setzten.

GNSS – IRIG-B Signalangebot für andere Sensorik

GNSS – CAN Bus für Kommunikation mit anderer Sensorik

Schneller Datentransport =>

Zeitsynchronisation =>

Anwendungsbeispiel GNSS – Fahrdynamische Untersuchung

Alle GNSS Empfänger bieten die Möglichkeit über DopplermessungenGeschwindigkeiten mit einer Genauigkeit von 0,02 m/s zu messen.

Bei fahrdynamischen Untersuchungen wird GNSS als physikalisch anders messender Sensor parallel zu den Felgenbeschleunigungssensoren.

Anwendungsbeispiel GNSS – Genaues Heading und Pitch

GNSS 2-Antennensystem zur automatisierten Schiffahrt auf Binnengewässern

Anwendungsbeispiel GNSS – Einsatz Gyro-4

Master

Slave 3

Slave 2

Slave 1

1

4

3

2

1 3 42

Funktionsaufbau und Interaktion der 4 GNSS Boards

Ende Teil 1 „Schwerpunkt GNSS“ Dipl. Ing. Björn Rapelius

Die GNSS Spezialisten

Start Teil 2 „Schwerpunkt GNSS und Kopplung IMU“ Dipl. Ing. Julia Hemmert

Gliederung

- Funktionsweise einer Inertialen Messeinheit (IMU)

- Kopplung GNSS + IMU

- Systembeschreibung der JAVAD-IMU

- Anwendungen für gekoppelte Systeme

- Lagewinkel

- Positionen

Inertiales Messsystem - Aufbau

Aufgabe: Erfassung von Bewegungen gegenüber des Inertialen Raumes

Elemente:

Kreisel detektieren Rotationsbewegungen

⇒ Winkelgeschwindigkeiten (Drehraten)

Beschleunigungsmesser detektieren translatorische Bewegungen

⇒ Beschleunigungen (spezifische Kraft)

⇒ 3 Beschleunigungsmesser + 3 Kreisel = IMU

⇒ IMU + Navigationscomputer = INS

Inertiales Messsystem - Aufbau

Mechanische Realisierung:

Die Sensoren sind auf einer kardanischaufgehängten Plattform angebracht, so dass die Lage der Sensoren in Bezug auf ein Referenzsystem beibehalten wird.

Strapdownsystem:

Die Sensoren sind fest im Fahrzeug installiert, die Lage im Raum wird rechnerisch ermittelt.

Von den Messwerten zu Position und Lage

- Translation -

z

x

yz

x

y

XBXA

Messgrößen: ax , ∆t2

21 tatvXX xAAB ++=

Sind Startposition und Startgeschwindigkeit bekannt, kann mit Hilfe der gemessenen Beschleunigung Position XBdurch eine zweimalige Integration berechnet werden.

Bewegungsgleichung:

Von den Messwerten zu Position und Lage

- Rotation -

x

z

yn=y

znxn

y

x

z

Messgrößen: ωy, ∆t

tyAB ωθθ +=Bewegungsgleichung:

Ist die Ausgangslage bekannt, kann mit Hilfe der gemessenen Drehrate die Lage des Systems durch einmalige Integration berechnet werden.

Drehung um die y-Achse (Pitch-Bewegung):Verlagerung der x und z-Achse

Von den Messwerten zu Position und Lage

- Rotation -

x

z

yn=y

znxn

y

x

z

- Rotationen verändern die Lage der sensitiven Achsen der Beschleunigungsmesser

- Lagebestimmung der Beschleunigungsmesser mit Hilfe der gemessenen Drehraten

⇒ Gleichzeitige Messung von Drehraten + Beschleunigungen

Fehlerwachstum

Lange Integrationszeiten führen zu exponentiellem Fehlerwachstum – Bsp. Position

Kopplung GNSS + IMU

sehr hoch, ab 20 Hz

bis 20 Hz (maximal 100 Hz)

Datenrate

DrehratensensorenErfassung mit Mehrantennen-systemen

Lagewinkel

Messgenauigkeit sinkt exponentiell mit der ZeitHohe Kurzzeitstabilität

Genauigkeit ist zeitunabhängig

Niedrigere Kurzzeitstabilität, Rauschen

Systemverhalten

autonomSatellitensignale + Korrekturdaten

System-anforderungen

InertialeBeschleunigungen und Drehraten

Distanzen aus Zeitmessungen

Messprinzip

INSGNSS

JAVAD JNS-IMU

- 3 Vibrationskreisel

- 3 Mikromechanische Beschleunigungsmesser

- Recheneinheit

⇒ JNS- IMU

Genauigkeitsangaben der Sensoren - Herstellerangaben:

~ 5 msLatency

< 1°/minDrift der Lagewinkel

0,025 m/s²Beschleunigung

0,3 °/sDrehraten

JAVAD JNS-IMU + JNS-Gyro-4

Einsatz als gekoppeltes oder autonomes System

Ziel der Kopplung:

- Steigerung der Verfügbarkeit, Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Gyro-4/2 Positionen und Lagewinkel

- IMU hat eine untergeordnete Funktion

Performance Spezifikation - Herstellerangaben

Positionsgenauigkeit

ca. 1,0 m 3D RMS

ca. 0,005 m 3D RMS

ca. 3,0 m 3D RMS

ca. 0,01 m 3D RMS

autonomKorrekturdaten

Lagegenauigkeit

0,06°/L±0,02°0,12°/L±0,04°

0,2°/L0,4°/L

HeadingRoll / Pitch

Gyro4 + IMUGyro-4

Datenfluss – Loosely coupled system

Modem

Gyro4/Gyro2

-DGPS-Positionen 10 Hz

-Geschwindigkeiten 10 Hz

-Lagewinkel 10 Hz

-Zeit

3 Beschleunigungsmesser

3 Drehratensensoren

Navigationscomputer

a,ω 200 Hz

X,V,Att,t 10 Hz

Kalman-

Filter

PC

Positionen

Lagewinkel

100 Hz

Positionen Lagewinkel 100 Hz

Steuerung mit PCView

Binär- ASCII-Wandlung

IMU

NMEA-Position 5 s

RTCM Korrekturdaten

Kurze Basislinien - Heading

Basislinienlänge: 1.0 m ⇒ 0.2°

Kurze Basislinien - Roll

Basislinienlänge 1.0 m

Kurze Basislinien - Pitch

Basislinienlänge 1.0 m

Einsatzgebiete Gyro-4/2 und IMU

- Präzise Lagebestimmung von kleinen Fahrzeugen

- Hohe Genauigkeit auf kurzen Basislinien

- Helikopter

- Kraftfahrzeuge

- Erfassung von hochdynamischen Bewegungen (100 Hz)

- Steigerung der Verfügbarkeit bei kurzen

Ausfällen

Steigerung der Verfügbarkeit

Drift bei einem GNSS-Ausfall von 90 Sekunden

Einsatzgebiet: Kalibrierung

- Kalibrierung der schiffseigenen Navigationsinstrumente hinsichtlich der Lagewinkel

- Basislinienlängen von > 100 m

⇒ Genauigkeit des Headings von ~0.002°

Lange Basislinien - Heading

- Überbrückung von kurzen GNSS-Ausfällen

Lange Basislinien – Heading (Ausschnitt)

- Höhere Auflösung der Bewegung- Keine signifikante Genauigkeitssteigerung

Positionsbestimmung auf der Straße

Zweck:

- Mobile Datenerfassung für GIS oder Navigationssysteme

GNSS-Empfang ist stark eingeschränkt

- Abschattungen

- Multipatheffekte

Straßennavigation

Straßennavigation

Zusammenfassung + Ausblick

• GNSS-Technologie wird immer leistungsfähiger und zuverlässiger

• Durch Kopplung mehrerer GNSS-Empfänger ist auch eine hochgenaue Lagebestimmung möglich

• Von GNSS generierte hochpräzise Signale dienen zur Synchronisierung, Frequenzabgleich sowie Zeitreferenzierungund bieten eine geeignete Schnittstelle für die Kopplung diverser Sensoren.

Zusammenfassung + Ausblick

• Mit GNSS-Technologie gewonnene Informationen, insbesondere Position, Geschwindigkeit und Zeit bilden für vielen Multisensorsysteme eine entscheidende Grundlage.

• Kopplung von GNSS mit Inertialsystemen steigert sowohl die Genauigkeit, als auch die Verfügbarkeit von Lagewinkeln und Positionen

• Zukünftige Entwicklungen, unter anderem auch das europäische Satellitennavigationssystem GALILEO, wird den Anwendungsbereich von GNSS erheblich erweitern

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

Am Hohen Ufer 3a - 30159 Hannover - Germany

Fon: +49 (0)511-30399-0 - Fax: +49 (0)511-30399-66 - E-Mail: info@allsat.de – www.allsat.de