Hybride Messtechnik GPS, INS und Stützsensorik

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1 Hybride Messtechnik GPS, INS und Stützsensorik von M. Bäumker Seminar Kinematische Messungen auf Straße und Schiene September 2002 Universität der Bundeswehr München

2 Einleitung Übersicht Eigenschaften von Inertialund Navigationssystemen Stützsensoren zur Kalmanfilterung Anwendungsbeispiele Ausblick

3 Einleitung (1) Inertial- und Navigationssysteme dienen zur Navigation und Führung eines Fahrzeugs (Land, Luft, Wasser) Kurs- und Lageregelung (Autopilot) Ausrichtung und Stabilisierung von speziellen Messsensoren (z.b. Kameras, Scanner) Georeferenzierung von Messdaten und daraus abgeleiteten Parametern (z.b. Trajektorie) Komponenten: Kreisel und Beschleunigungsmesser und zusätzliche Stützsensoren

4 Einleitung (2) Arten von Inertial- und Navigationssystemen Plattformsysteme (Historie) Beschleunigungsmesser auf einer kreiselstabilisierten und orientierten Plattform (Nord, Ost, vertikal) Strapdown-Systeme (heute Standard) fahrzeugfeste Anordnung der Kreisel und Beschleunigungsmesser Stützung durch zusätzliche Sensoren Position und Geschwindigkeit, Kurs, Lage, Weggeber etc.

5 Inertial- und Navigationssysteme Anforderungen an die INS-Systeme und deren Sensoren sind abhängig von Einsatzgebiet (Land, Luft, Wasser) autonome Selbstausrichtung (Gyrocompassing) verfügbare Stützsensoren Dynamik des Fahrzeugs und der Trajektorie Wichtigste Kriterien für die Beurteilung der Kreiselund Beschleunigungsmesser: Drift (Bias), Rauschen, Skalenfaktorfehler, Misalignments (Achsausrichtfehler)

6 Inertial- und Navigationssysteme Eigenschaften eines voll navigationsfähigen INS-Systems drei integrierende Drehratensensoren (Winkelinkr.) drei Beschleunigungsmesser (Geschwindigkeitsinkr.) Selbstausrichtung Schulerabstimmung (Rückführung von Erddrehrate und Transportrate) Earth rate Ω E X e Z e plumb- line navigation coordinate system North earth centred earth fixed coordinate system (e-system) transport rate e Y North plumb- line navigation coordinate system

7 Inertial- und Navigationssysteme Input: Winkel- und Geschwindigkeitsinkremente im Body-System Output: Kurs- und Lagewinkel (ψ, θ, φ), C bn -Transformationsmatrix Geschwindigkeit (Nord, Ost, vertikal), Position (Lat, Lon, h) Body Nav.-System: r n = C b n r b = (C n b) T r b C bn = coscos cos sin sin sin cos cos sincos + sin sin sincos sin sinsin + cos cos sin sin cos cos sin sin cos sin cos cos

8 Inertial- und Navigationssysteme Autonome Selbstausrichtung (Gyrocompassing) abhängig von Kreiseldrift ε g und geogr. Breite ϕ resultierender Kursfehler: Kreiseldrift g g E cos 180 mit E 15 o /h Beispiele für den Anfangskursfehler 1 /h 0.1 /h 0.01 /h /h = 0 o = 25 o = 50 o = 75 o

9 Inertial- und Navigationssysteme Inertiale Navigationsgenauigkeit abhängig von Kreiseldrift ε g und B messerbias ε b echte Schulerschwingung nur bei Plattformsystemen Gefahr des Schulerpumpings bei Strapdown-Systemen Einfache Faustformel für den zeitabhängigen Positionsfehler ε Pos : Pos[ nm/h] 100 g[ 0/h] Beispiel: Kreiseldrift g Positionsfehler Pos 0.1 /h 10 nm/h 0.01 /h 1 nm/h /h 0.1 nm/h

10 Inertial- und Navigationssysteme

11 Inertial- und Navigationssysteme Synopsis (1) heute nur noch Strapdown-Systeme von Bedeutung echte Inertialnavigation nur möglich Kreiseldrift < 0.01 /h B messerbias < 100 ug Selbstausrichtung (Gyrocompassing) nur möglich Kreiseldrift < 0.5 /h B messerbias < 5000 ug oder Lagewinkelfehler < 0.1 Echtes INS KLR AHRS INS = Inertial Navigation System KLR = Kurs- und Lagereferenzsystem AHRS = Attitude and Heading Reference System

12 Inertial- und Navigationssysteme Synopsis (2) Systeme für Luftfahrt erfordern 3 Drehratensensoren und i.d.r. auch 3 Beschleunigungsmesser Stützsensoren sowie Art und Dauer der Stützung sind abhängig von der Qualität der inertialen Sensoren für Landnavigation sind einfachere Systeme möglich, z.b. nur 1 oder 2 Drehratensensoren, Libellen und Odometer (Weggeber) statt Beschleunigungsmesser Fehler des Vertikalkanals können auch bei einem hochgenauen INS im Gegensatz zu denen der Horizontkanäle (Schulerabst.) unbegrenzt anwachsen

13 Inertial- und Navigationssysteme Standard-Kalmanfilterzustände (1) 1. Nordpositionsfehler δϕ 2. Ostpositionsfehler δλ 3. Höhenfehler δh 4. Nordgeschwindigkeitsfehler δv N 5. Ostgeschwindigkeitsfehler δv E 6. Vertikalgeschwindigkeitsfehler δv V Fehler der analytischen Plattform- und Navigationsberechnung 7. Nordtilt der analytischen Plattformberechnung ε N 8. Osttilt der analytischen Plattformberechnung ε E 9. Verdrehung um z-achse der analytischen Plattformberechnung ε D

14 Inertial- und Navigationssysteme Standard-Kalmanfilterzustände (2) 10. Bias des x-b messers ε bx 11. Bias des y-b messers ε by 12. Bias des z-b messers ε bz Fehler der inertialen Sensoren 13. Drift des x-kreisels ε gx 14. Drift des y-kreisels ε gy 15. Drift des z-kreisels ε gz 16. Skalenfaktorfehler des z-kreisels sk gz Bei Bedarf sind diese Zustände um weitere Sensorfehler zu erweitern, z.b. um die Misalignments der Sensorachsen!

15 Stützsensoren zur Kalmanfilterung NAVSTAR GPS liefert 3D-Position (Lat, Lon, h) und 3D- Geschwindigkeit (Nord, Ost, vertikal) unterschiedliche Genauigkeitsklassen GPS: 10 m - 20 m, 0.01 m/s ohne S/A DGPS: 0.5 m - 5 m, 0.01 m/s PDGPS: 0.01 m m, 0.01 m/s bei Lösung der Mehrdeutigkeiten genaue Synchronisation (< 1 ms) mit den INS-Daten via PPS-Signal erforderlich

16 Stützsensoren zur Kalmanfilterung NAVSTAR GPS-Winkelmesssytem liefert Kurs- und Neigungswinkel (Längsachse / Querachse) Genauigkeit: 0.05 bei 2 m Basis mindestens 3 Antennen notwendig genaue Synchronisation (< 1 ms) mit den INS-Daten via PPS-Signal erforderlich

17 Stützsensoren zur Kalmanfilterung Funktionsprinzip des GPS-Winkelmesssytems

18 Stützsensoren zur Kalmanfilterung Kurssensoren/Kompasse flüssigkeitsgelagert (Flux Valve) Fehler durch Fahrzeugdynamik (Scheinlot) 2- oder 3-achsiges Magnetometer Lagewinkel für Kursberechnung notwendig liefern magnetische Nordrichtung Ortmissweisungsmodell erforderlich zur Umrechung in geographische Nordrichtung Ortsmissweisung zeitabhängig magnetische Störeinflüsse im Fahrzeug verursachen ein- und zweizyklische Kursfehler (Kalibration erforderlich)

19 Stützsensoren zur Kalmanfilterung Ortmissweisungsmodell für Magnetkompasse jährliche Änderung ca. 0.1 (systematisch) tägliche Änderungen bis zu ± 0.2 (Magnetstürme) erreichbare Genauigkeit: (kalibrierter Sensor)

20 Stützsensoren zur Kalmanfilterung Geschwindigkeitsmesser Flugzeug: True Airspeed Sensor (TAS) und evtl. Windfahnen (α, β) Geschwindigkeit relativ zur Luft! Schiff: LOG (X-LOG, XY-LOG) Geschwindigkeit relativ zum Wasser! Auto: digitaler Tacho oder Odometer (Weggeber) Dopplergeschwindigkeitsmesser Geschwindigkeit über Grund im körperfesten Koordinatensystem

21 Stützsensoren zur Kalmanfilterung KF-Beobachtungsgl. für Geschwindigkeitsmesser Nord ψ V TAS V W tr V E V g V N Ost TAS: + 2 Zustände Windkomponente Nord/Ost LOG: + 2 (ggf. 4) Zustände Wasserströmung Nord/Ost + ggf. x-logbias und y-logbias Odometer/Doppler: + 1 Zustand Skalenfakorfehler Wichtig! Kurswinkel ψ = Trackwinkel tr aus VN und VE! Nur für Landfahrzeuge gilt i.d.r.: = arctan V E V N

22 Stützsensoren zur Kalmanfilterung KF-Beobachtungsgl. für Geschwindigkeitsmesser Nord ψ V TAS V W tr V E V g V N Ost Fehlt die y-komponente wird diese zu null angenommen und das Messrauschen entsprechend erhöht! V TAS x V TASy V LOG x V LOG y Odometer/Doppler : V Odo x V Odo y TAS : V TAS = V g = (C bn ) 1 V W N V E V LOG : V LOG = V g WE = (C bn ) 1 V N = sk Odo (C bn ) 1 V W V W V N V W N V E V WE V Odo = V g V N V E Windvektor Wasserströmung z-komponenten vernachlässigt!

23 Stützsensoren zur Kalmanfilterung Neigungsmesser/Libellen ein- oder zweiachsige Libellen Flüssigkeit mit unterschiedlicher Viskosität (Dämpfung Delay) Ausrichtung zum Scheinlot Störung durch Fahrzeugdynamik liefern Längs- und Querneigung 2 zusätzliche KF-Zustände: Nullpunktfehler ε Lx und ε Ly dynamikabh. Messrauschen

24 Stützsensoren zur Kalmanfilterung Neigungsmesser/Libellen Roll- und Nickwinkel unter Berücksichtigung der Nullpunktfehler (KF-Zustände): L = w x w x0 L = arcsin( sin(w y w y0 ) ) w y w y0 cos cos Korrektur wegen Fahrzeugdynamik notwendig: Störbeschleunigung a s : a s = V w: Drehratenvektor, V: Geschwindigkeitsvektor zusätzliche Filterung der Störbeschleunigungen dynamikabhängiges Messrauschen Deaktivierung bei zu großen Störbeschleunigungen erreichbare Genauigkeit: 0.1 (bei moderater Dynamik)

25 Stützsensoren zur Kalmanfilterung Höhenmesser Barohöhenmesser (Korrektur wegen Luftdruck notwendig) Radarhöhenmesser (digitales Geländemodell notwendig) Hilfreich und notwendig zur Begrenzung des Höhenfehlers in der frei inertialen Betriebsart, wenn kein GPS vorhanden! Anderenfalls muss in Abhängigkeit der Systemgenauigkeit die Betriebsart Altitude Hold (Höhenhaltung) aktiviert werden!

26 Stützsensoren zur Kalmanfilterung Sonderfall: Stillstand des Fahrzeugs Stützung mit Geschwindigkeit null Zero Velocity Update (ZUPT) Stützung mit bekannter Position, z.b. Stop an einem koordinatenmäßig bekannten Referenzpunkt (Positionsupdate) Die Verarbeitung dieser Stützinformationen im Kalmanfilter entspricht der GPS- Positions- und Geschwindigkeitsstützung und wird insbesondere bei der Anfangsausrichtung im Stillstand (Alignment, Gyrocompassing) ausgenutzt! Hilfreich ist auch eine zusätzliche Betriebsart On Ground, in der kontinuierlich eine Stützung mit Geschwindigkeit null erfolgt!

27 Anwendungsbeispiel 1 System LEO 1) zur direkten Georeferenzierung und Regelung und Stabilisierung einer photogrammetrischen Kamera LEICA GPS- Empfänger 9400 oder System 500 FOG-INS LLN-G1 1) LEO = Local Earth Observation

28 Anwendungsbeispiel 1 Daten des FOG-INS LLN-G1 (LCI-6X) 3 Faseroptische Kreisel (FOG) Faserlänge: 500 m Drift: 0.1 /h Skalenfaktorfehler: 100 ppm Randowm Walk: 0.02 /sqrt(h) 3 Pendelbeschleunigungsmesser B 280 Bias: 0.5 mg Skalenfaktorfehler: 1000 ppm Random Walk: 0.01 mg

29 Kameraimpuls GPS Empfänger Leica 9400/ System 500 Telemetrie Sender LEO System Konzept Telemetrie Empfänger DGPS Korrektionen RS232 RS232 Flugzeug Nav- Prozessor RS 422 Stellsignale Kameraauslösung GPS-Referenz- Station (Boden) optional FOG- INS LLN-G1 Kamera stabilisierte Plattform GPS Empfänger Leica 9400/ System 500 RS232 PPS-Signal RS232 Flugführungssystem Plattformregelung

30 Aufgaben des System LEO Flugführung (Echtzeitnavigation) automatische Kameraauslösung an den vorausberechneten Aufnahmeörtern direkte der Gereferenzierung der Bilddaten mittels INS/GPS-Daten

31 Direkte Georeferenzierung mit LEO Transformation der INS/GPS-Positionen und Winkel (Roll-, Nick-, Kurswinkel) in das jeweilige photogrammetrische Auswertesystem z räumliches Bildkoordinatensystem Projektionszentrum O E z (H) (Zenit) E B c y Nord/Hochwert H' y B P' x B z E κ Projektionsstrahl P E E E P(x,y,z ) Drehwinkel ϕ, ω, κ ω ϕ y E x E 6 Parameter der äußeren Orientierung: 3-D-Aufnahmeposition (X,Y,Z) restliche Bildneigungen und Verkantung (ϕ, ω, κ) E E E erdfestes Objektkoodinatensystem (x, y, z ) Ost/Rechtswert x E

32 Probleme bei hybriden Messsystemen Gegenseitige Ausrichtung der verschiedenen Sensoren bzw. Kalibration der Achsausrichtfehler (Nichtparallitäten, Misalignments)

33 Kalibration des Luftaufnahmesystems LEO L a borkalibra tion M o n tag e au f ein er K ra n b a h n im L ab o r F lu g ü b er ein v erm es se n e s 3D -P as sp u n ktf eld im L ab o r m it S to p ü b e r d en P assp u n kt en Z w ei-p o sitio n san fa n g s- au sric h tu n g m it K o m p en s atio n d er K reiselb ia se F eldk alibra tion M o n tag e im F lu g zeu g F lu g ü b er ein v erm es se n e s P a ssp u n ktf eld ko n v en tio n elle A n fa n g s au sric h tu n g m ittels G y ro co m p a ssin g Z ero -V elo city -U p d ate s b ei S tillstan d B ere ch n u n g d er M isalig n m en ts au s IN S -D aten u n d D at en d er A ero trian g u latio n ko n v en tio n elle D G P S - G es ch w in d ig keitsu n d P o sitio n sstü tzu n g B e re ch n u n g d er M isalig n m en ts au s IN S -D at en u n d D at en d er A e ro trian g u l atio n

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35 Bildflug im Labor mit LEO

36 Ergebnisse der Laborkalibration

37 LEO für 3D-GIS (Historische Altstadt Herborn) Kamera: Rollei 6006 metric Format: (55 x 55) mm 2 Brennweite: 80 mm Bildmaßstab: 1:5000 Flughöhe: 400 m Überdeckung: längs 60%, quer 30% Fluglinien: 3 Photos: 3 x 5 = 15 AT ohne Passpunkte: σ xy = 3 cm σ z = 10 cm Orthophoto der Stadt Herborn

38 Anwendungsbeispiel 2 Hybrides Landnavigationssystem ASHTECH GPS- Winkelmesssystem 3DF mit RTCM- Korrekturdatenempf. Weggeber (Odometer)

39 Anwendungsbeispiel 2 Hybrides Landnavigationssystem 3 Faserkreisel µfors 36/12 Faserlänge: 50 m Bias: 12 /h Skalenfaktorfehler: 300 ppm Random Walk: 0.6 /sqrt(h) Odometer: 0.1% Zweiachslibelle: 0.1 GPS (DGPS mit RTCM-Input): Position: 0.5 m - 3 m (DGPS) Geschwindigkeit: 0.05 m/s Winkel: 0.1 (Kurs), 0.2 (Lage)

40 FOG-IMU ufors Winkelinkremente ω x, ω y, ω z Odometer Vx Wx, Wy GPS-Empfänger ASHTECH 3DF ϕ,λ, h,vn,ve,vv φ, θ, ψ 64 Hz 16 Hz 1 Hz 1 Hz 64 Hz-Berechnungen analytische Plattform Cbn-Transformationsmatrix Kurs- und Lagewinkel φ, θ, ψ 16 Hz-Berechnungen Erdmodell Geschwindigkeiten Vn,Ve,VV Positionen h ϕ, λ, KF-Propagation (immer) KF-Messungsupdate (nur, wenn gültige Stützdaten vorliegen) Kurs- und Lagewinkel Drehraten Geschwindigkeiten Vn,Ve,Vv Positionen ϕ, λ, h 16 KF-Zustände: analy. Plattformfehlerε n,ε e,ε v Geschwindigkeitsfehler δ Vn, δ Ve, δ Vv Positionsfehlerδϕ, δλ,δh Kreiseldriften g,g,g x y z Nullpunktfehler Wx,Wy 0 0 (Libellen) Skalenfaktorfehler (Odometer) Sk x Libellenwinkel RTCM- Korrektionen 1 Hz-Kalmanfilterberechnungen Stillstand- Information (Zero-Velocity) Blockdiagramm des Landnavigationssystems

41 Hybrides Landnavigationssystem Anfangsausrichtung der analytischen Plattform (aufgrund der Kreiseldriften ist keine Selbstausrichtung möglich!) Schritt 1: Initialisierung der Roll- und Nickwinkel durch gefilterte und korrigierte Libellenwinkel Initialisierung des Kurswinkels mit null oder GPS-Winkel (Mehrdeutigkeiten gelöst) Initialisierung der analytischen Plattform (Quaternionen) Schritt 2: analytische Plattform- und Navigationsberechnung mit Odometer-, Libellenstützung Schritt 3: Reinitialisierung der analytischen Plattform mit Trackwinkel aus GPS-Geschwindigkeiten, wenn V > 1 m/s oder GPS-Winkel o.k

42 Hybrides Landnavigationssystem Beispiel: Straßendatenbank Teststrecke

43 Hybrides Landnavigationssystem Erfassung von Trassierungsparametern Längsneigung (±0.5 %) Querneigung (±0.5%) Kilometrierung: ±0.5 m Testfahrt 1 Testfahrt 2

44 Hybrides Landnavigationssystem Erfassung von Trassierungsparametern Verwindung (±0.05%) Krümmung (±1.0 1/km) Kilometrierung: ±0.5 m Testfahrt 1 Testfahrt 2

45 Zusammenfassung und Ausblick Hybride Messsysteme bieten vielfältige Anwendungs- und Einsatzmöglichkeiten erfordern sorgfältige Analyse und Auswahl geeigneter Sensoren (Inertialsystem und Stützsensoren) Hauptproblematik Genaue gegenseitige Ausrichtung und Synchronisation der Sensoren ( spezielle Kalibration erforderlich) MEMS-Technologie Miniaturisierung der Sensoren schreitet weiter voran Beschleunigungsmesser: 100 µg Kreisel: 10 /h bereits ausreichend für diverse Landnavigationsanwendungen (s. Beispiel)

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