Navigationslösungen mit GNSS und Multisensorsystemen

Transkript

1 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

2 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. GPS Satellit GLONASS Satellit zukünftiger GALILEO Satellit

3 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

4 Korrekturdaten vom ascos satellite positioning services Highlights von ascos satellite positioning services der E.ON Ruhrgas AG Stationen über ganz Deutschland, 182 genutzt - Stationsabstand 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.

5 PED: 2 cm Genauigkeit ED: 0,5 m Genauigkeit Stationsübersicht

6 GNSS- Mit Korrekturen im Submeter Bereich JNS-100 GG In 34,5 sec zu einer Geschwindigkeit von 1208 m/s 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 Km Schockbeschleunigung 500g s Temperatur -30 to +85 C Shock & Vibration gemäß Mil Std 810E

7 GNSS Mit Korrekturen im Zentimeter- Bereich 1 Hz bis 20 Hz Rohdaten und Position 20 Kanäle L1/L2 GPS &GLONASS Größe 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

8 GNSS Mit Korrekturen im Zentimeter- Bereich Alles in einer Box 1 Hz bis 20 Hz Rohdaten und Position 20 Kanäle L1/L2 GPS &GLONASS Größe x 115 x 172 mm Gewicht 1,7 kg Power 6 bis 28 vdc Maxor- GGDT USB, Seriell, Schnittstelle Möglichkeiten für integrierte Kommunkationsboards: GSM Modem UHF Funk 915 MHz Funk MarAnt GSM Modem 915 MHz Spread Spectrum Funk Modem UHF Funk Modem Omnistar Decodierungsmodul EGNOS/WAAS Empfängeroption Beacon Decodierungsmodul MarAnt L1/L2 GPS&GLONASS

9 GNSS Mit Korrekturen im Zentimeter- Bereich Mit 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 x 49 x 138 mm Gewicht - 1,795 kg Power 4,5 bis 14 VDC Keine Kalibrierung notwendig!

10 GNSS Mit Korrekturen im Zentimeter- Bereich Mit 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 x 90 x 130 mm Gewicht -1,4 kg Power 4,5 bis 14 VDC Einmalige Kalibrierung notwendig aber damit auch mm genaue Punktbestimmung

11 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.

12 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.

13 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.

14 GNSS IRIG-B Signalangebot für andere Sensorik

15 GNSS CAN Bus für Kommunikation mit anderer Sensorik Schneller Datentransport => Zeitsynchronisation =>

16 Anwendungsbeispiel GNSS Fahrdynamische Untersuchung Alle GNSS Empfänger bieten die Möglichkeit über Dopplermessungen Geschwindigkeiten mit einer Genauigkeit von 0,02 m/s zu messen. Bei fahrdynamischen Untersuchungen wird GNSS als physikalisch anders messender Sensor parallel zu den Felgenbeschleunigungssensoren.

17 Anwendungsbeispiel GNSS Genaues Heading und Pitch GNSS 2-Antennensystem zur automatisierten Schiffahrt auf Binnengewässern

18 Anwendungsbeispiel GNSS Einsatz Gyro-4 Master 1 Slave 3 4 Slave Slave Funktionsaufbau und Interaktion der 4 GNSS Boards

19 Ende Teil 1 Schwerpunkt GNSS Dipl. Ing. Björn Rapelius Die GNSS Spezialisten Start Teil 2 Schwerpunkt GNSS und Kopplung IMU Dipl. Ing. Julia Hemmert

20 Gliederung - Funktionsweise einer Inertialen Messeinheit (IMU) - Kopplung GNSS + IMU - Systembeschreibung der JAVAD-IMU - Anwendungen für gekoppelte Systeme - Lagewinkel - Positionen

21 Inertiales Messsystem - Aufbau Aufgabe: Elemente: Erfassung von Bewegungen gegenüber des Inertialen Raumes Kreisel detektieren Rotationsbewegungen Winkelgeschwindigkeiten (Drehraten) Beschleunigungsmesser detektieren translatorische Bewegungen Beschleunigungen (spezifische Kraft) 3 Beschleunigungsmesser + 3 Kreisel = IMU IMU + Navigationscomputer = INS

22 Inertiales Messsystem - Aufbau Mechanische Realisierung: Die Sensoren sind auf einer kardanisch aufgehängten 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.

23 Von den Messwerten zu Position und Lage - Translation - x x y z y z X A X B Messgrößen: a x, t Bewegungsgleichung: X B = X A + vat + Sind Startposition und Startgeschwindigkeit bekannt, kann mit Hilfe der gemessenen Beschleunigung Position X B durch eine zweimalige Integration berechnet werden. 1 2 a x t 2

24 Von den Messwerten zu Position und Lage - Rotation - x y n =y x y z z n z x n Messgrößen: ω y, t Bewegungsgleichung: θ = θ + ω B A y t 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

25 Von den Messwerten zu Position und Lage - Rotation - x y n =y x y z z n z x n - Rotationen verändern die Lage der sensitiven Achsen der Beschleunigungsmesser - Lagebestimmung der Beschleunigungsmesser mit Hilfe der gemessenen Drehraten Gleichzeitige Messung von Drehraten + Beschleunigungen

26 Fehlerwachstum Lange Integrationszeiten führen zu exponentiellem Fehlerwachstum Bsp. Position

27 Kopplung GNSS + IMU Messprinzip Erfassung mit Mehrantennensystemen Systemanforderungen Systemverhalten Lagewinkel Datenrate GNSS Distanzen aus Zeitmessungen Satellitensignale + Korrekturdaten Genauigkeit ist zeitunabhängig Niedrigere Kurzzeitstabilität, Rauschen bis 20 Hz (maximal 100 Hz) INS Inertiale Beschleunigungen und Drehraten autonom Messgenauigkeit sinkt exponentiell mit der Zeit Hohe Kurzzeitstabilität Drehratensensoren sehr hoch, ab 20 Hz

28 JAVAD JNS-IMU - 3 Vibrationskreisel - 3 Mikromechanische Beschleunigungsmesser - Recheneinheit JNS- IMU Genauigkeitsangaben der Sensoren - Herstellerangaben: Drehraten Beschleunigung Drift der Lagewinkel Latency 0,3 /s 0,025 m/s² < 1 /min ~ 5 ms

29 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 autonom Korrekturdaten Lagegenauigkeit Heading Roll / Pitch Gyro-4 ca. 3,0 m 3D RMS ca. 0,01 m 3D RMS 0,2 /L 0,4 /L Gyro4 + IMU ca. 1,0 m 3D RMS ca. 0,005 m 3D RMS 0,06 /L±0,02 0,12 /L±0,04

30 Datenfluss Loosely coupled system Gyro4/Gyro2 NMEA-Position 5 s RTCM Korrekturdaten Modem -DGPS-Positionen 10 Hz -Geschwindigkeiten 10 Hz -Lagewinkel 10 Hz -Zeit 3 Beschleunigungsmesser 3 Drehratensensoren IMU a,ω 200 Hz X,V,Att,t 10 Hz Kalman- Filter Positionen Lagewinkel 100 Hz Navigationscomputer Steuerung mit PCView Positionen Lagewinkel 100 Hz PC Binär- ASCII- Wandlung

31 Basislinienlänge: 1.0 m 0.2 Kurze Basislinien - Heading

32 Basislinienlänge 1.0 m Kurze Basislinien - Roll

33 Basislinienlänge 1.0 m Kurze Basislinien - Pitch

34 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

35 Steigerung der Verfügbarkeit Drift bei einem GNSS-Ausfall von 90 Sekunden

36 Einsatzgebiet: Kalibrierung - Kalibrierung der schiffseigenen Navigationsinstrumente hinsichtlich der Lagewinkel - Basislinienlängen von > 100 m Genauigkeit des Headings von ~0.002

37 Lange Basislinien - Heading - Überbrückung von kurzen GNSS-Ausfällen

38 Lange Basislinien Heading (Ausschnitt) - Höhere Auflösung der Bewegung - Keine signifikante Genauigkeitssteigerung

39 Positionsbestimmung auf der Straße Zweck: - Mobile Datenerfassung für GIS oder Navigationssysteme GNSS-Empfang ist stark eingeschränkt - Abschattungen - Multipatheffekte

40 Straßennavigation

41 Straßennavigation

42 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 Zeitreferenzierung und bieten eine geeignete Schnittstelle für die Kopplung diverser Sensoren.

43 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

44 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Am Hohen Ufer 3a Hannover - Germany Fon: +49 (0) Fax: +49 (0) info@allsat.de