björn raelius und julia hemmert, allsat gmbh, hannover
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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
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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
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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
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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.
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Stationsübersicht
PED:2 cm Genauigkeit
ED:0,5 m Genauigkeit
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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
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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
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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
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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!
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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
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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.
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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.
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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.
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GNSS – IRIG-B Signalangebot für andere Sensorik
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GNSS – CAN Bus für Kommunikation mit anderer Sensorik
Schneller Datentransport =>
Zeitsynchronisation =>
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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.
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Anwendungsbeispiel GNSS – Genaues Heading und Pitch
GNSS 2-Antennensystem zur automatisierten Schiffahrt auf Binnengewässern
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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
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Ende Teil 1 „Schwerpunkt GNSS“ Dipl. Ing. Björn Rapelius
Die GNSS Spezialisten
Start Teil 2 „Schwerpunkt GNSS und Kopplung IMU“ Dipl. Ing. Julia Hemmert
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Gliederung
- Funktionsweise einer Inertialen Messeinheit (IMU)
- Kopplung GNSS + IMU
- Systembeschreibung der JAVAD-IMU
- Anwendungen für gekoppelte Systeme
- Lagewinkel
- Positionen
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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
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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.
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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:
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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
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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
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Fehlerwachstum
Lange Integrationszeiten führen zu exponentiellem Fehlerwachstum – Bsp. Position
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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
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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
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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
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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
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Kurze Basislinien - Heading
Basislinienlänge: 1.0 m ⇒ 0.2°
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Kurze Basislinien - Roll
Basislinienlänge 1.0 m
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Kurze Basislinien - Pitch
Basislinienlänge 1.0 m
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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
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Steigerung der Verfügbarkeit
Drift bei einem GNSS-Ausfall von 90 Sekunden
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Einsatzgebiet: Kalibrierung
- Kalibrierung der schiffseigenen Navigationsinstrumente hinsichtlich der Lagewinkel
- Basislinienlängen von > 100 m
⇒ Genauigkeit des Headings von ~0.002°
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Lange Basislinien - Heading
- Überbrückung von kurzen GNSS-Ausfällen
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Lange Basislinien – Heading (Ausschnitt)
- Höhere Auflösung der Bewegung- Keine signifikante Genauigkeitssteigerung
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Positionsbestimmung auf der Straße
Zweck:
- Mobile Datenerfassung für GIS oder Navigationssysteme
GNSS-Empfang ist stark eingeschränkt
- Abschattungen
- Multipatheffekte
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Straßennavigation
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Straßennavigation
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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.
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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
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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
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