Inertiale Navigation für Verteidigungs-UAVs

Unsere Lösungen eignen sich gut für die Integration in verschiedene Arten von Verteidigungs- UAVs und bieten Vielseitigkeit und Anpassungsfähigkeit für unterschiedliche Einsatzanforderungen. Unsere Bewegungs- und Navigationssensoren bringen taktische Sensorik in Ihre Systeme, ohne Kompromisse bei SWaP-C einzugehen! Sie eignen sich besonders für den Einsatz durch Integratoren.

Für UAVs, die auf GNSS angewiesen sind, bieten unsere Dual-Antennen-GNSS-Empfänger eine außergewöhnliche Genauigkeit. Dies ist vorteilhaft für die Oberflächennavigation und hilft beim Übergang zwischen Luft- und Bodennavigation. Darüber hinaus unterstützen alle Sensoren verschiedene Kommunikationsprotokolle wie RS-232, CAN und Ethernet, was eine nahtlose Integration in UAV-Systeme ermöglicht.

Schließlich ist es möglich, externe Positionierungslösungen wie DVL oder andere Navigationshilfen zu integrieren, um genaue Roll-, Nick-, Kurs- und Höhendaten bereitzustellen. Dies verbessert die Navigation in Umgebungen, in denen GNSS-Signale schwach oder nicht verfügbar sind.

Bei SBG Systems beinhaltet die Sicherstellung höchster Qualitätsstandards für unsere Inertial Measurement Units (IMUs) einen sorgfältigen Prozess. Wir beginnen mit der optimalen Auswahl hochwertiger MEMS-Komponenten, wobei wir uns auf zuverlässige Beschleunigungsmesser und Gyroskope konzentrieren, die unseren strengen Qualitätsanforderungen entsprechen. Unsere IMUs sind in robusten Gehäusen untergebracht, die Vibrationen und Umgebungsbedingungen standhalten und so Langlebigkeit und Leistung gewährleisten.

Unser automatisierter Kalibrierungsprozess umfasst einen 2-Achsen-Tisch und deckt Temperaturbereiche von -40 °C bis 85 °C ab. Diese Kalibrierung kompensiert verschiedene Faktoren wie Bias, Querachsen-Effekte, Fehlausrichtung, Skalenfaktoren und Nichtlinearitäten in Beschleunigungsmessern und Gyroskopen und gewährleistet so eine konsistente Leistung bei allen Wetterbedingungen.

Unser Qualifizierungsprozess umfasst zudem ein strenges internes Screening, um sicherzustellen, dass nur Sensoren, die unseren Spezifikationen entsprechen, die Produktion durchlaufen. Jede IMU wird von einem detaillierten Kalibrierungsbericht begleitet und hat eine Garantie von zwei Jahren. Dieser rigorose Ansatz gewährleistet hohe Qualität, Zuverlässigkeit und konstante Leistung über die Zeit und liefert überlegene IMUs für die Verteidigung und andere kritische Anwendungen.

Wir führen auch gründliche Umwelt- und Dauertests durch, um die Zuverlässigkeit zu gewährleisten. Einige unserer Sensoren erfüllen mehrere MIL-STD-Normen, die die Beständigkeit gegen Stöße, Vibrationen und extreme Bedingungen garantieren.

Die Steuerung der Ausgabeverzögerungen bei UAV-Operationen ist entscheidend für die Gewährleistung einer reaktionsschnellen Leistung, einer präzisen Navigation und einer effektiven Kommunikation, insbesondere in Verteidigungs- oder einsatzkritischen Anwendungen.

Die Ausgabelatenz ist ein wichtiger Aspekt in Echtzeitsteuerungsanwendungen, bei denen eine höhere Ausgabelatenz die Leistung von Regelkreisen beeinträchtigen könnte. Unsere INS Embedded Software wurde entwickelt, um die Ausgabelatenz zu minimieren: Sobald Sensordaten erfasst werden, führt der Extended Kalman Filter (EKF) kleine und zeitkonstante Berechnungen durch, bevor die Ausgaben generiert werden. Typischerweise beträgt die beobachtete Ausgabeverzögerung weniger als eine Millisekunde.

Die Verarbeitungsverzögerung sollte zur Datenübertragungsverzögerung addiert werden, wenn Sie die Gesamtverzögerung erhalten möchten. Diese Übertragungsverzögerung variiert von Schnittstelle zu Schnittstelle. Beispielsweise benötigt eine 50-Byte-Nachricht, die über eine UART-Schnittstelle mit 115200 bps gesendet wird, 4 ms für die vollständige Übertragung. Erwägen Sie höhere Baudraten, um die Ausgabelatenz zu minimieren.

PNT steht für Positionierung, Navigation und Zeitmessung – die drei grundlegenden Säulen, die jedes moderne Navigations- oder Koordinationssystem ermöglichen, sei es in der Luft- und Raumfahrt, im Verteidigungsbereich, in der Schifffahrt, bei autonomen Fahrzeugen oder in kritischen Infrastrukturen.

Hier ist eine übersichtliche Aufschlüsselung:

1. Positionierung

Dies beantwortet die Frage: “Wo bin ich?”
Sie liefert präzise geografische Koordinaten (Breitengrad, Längengrad, Höhe). Typischerweise abgeleitet von GNSS (GPS, Galileo, GLONASS, BeiDou) oder INS, wenn GNSS nicht verfügbar ist.

Essentiell für Verfolgung, Führung, Kartierung und Situationsbewusstsein.

2. Navigation

Dies beantwortet die Frage: „Wie bewege ich mich von A nach B?“
Dabei geht es um die Bestimmung von Richtung, Geschwindigkeit und Trajektorie, um ein Ziel sicher und effizient zu erreichen. Umfasst Geschwindigkeit, Kurs und Lage (Roll-, Nick-, Gierwinkel).

Wird oft mit IMUs/INS, Sensorfusionsalgorithmen, Odometrie oder GNSS-basierter Navigation erreicht.

3. Zeitmessung

Dies beantwortet die Frage: „Wie genau ist die Uhrzeit?“
Genaue, synchronisierte Zeit ist entscheidend für die Koordination von Systemen und Signalen. Hochpräzise Zeitgebung bildet die Grundlage für Kommunikationsnetze, Militärsysteme, Stromnetze und GNSS selbst.

Selbst Fehler im Mikrosekundenbereich können zu Ausfällen in der Kommunikation, Datenverbindungen oder Geolokalisierung führen.

Warum ist PNT wichtig?

PNT ist der Kern jedes modernen autonomen oder gelenkten Systems– ob Raketen, UAVs, Fahrzeuge, USVs, AUVs oder sogar Mobilfunknetze. Wenn GNSS beeinträchtigt oder verweigert wird, werden Inertialsysteme (IMU/INS) zum Rückgrat einer widerstandsfähigen PNT.

Inertial Measurement Units (IMUs) sind hochentwickelte Geräte, die die spezifische Kraft, die Winkelgeschwindigkeit und manchmal auch die Magnetfeldorientierung eines Körpers messen und melden. IMUs sind entscheidende Komponenten in verschiedenen Anwendungen, darunter Navigation, Robotik und Bewegungserfassung. Hier ist ein genauerer Blick auf ihre wichtigsten Merkmale und Funktionen:

• Beschleunigungsmesser: Messen die lineare Beschleunigung entlang einer oder mehrerer Achsen. Sie liefern Daten darüber, wie schnell ein Objekt beschleunigt oder langsamer wird, und können Änderungen in Bewegung oder Position erkennen.
• Gyroskope: Messen die Winkelgeschwindigkeit oder die Rotationsrate um eine bestimmte Achse. Gyroskope helfen bei der Bestimmung von Orientierungsänderungen, wodurch Geräte ihre Position relativ zu einem Referenzrahmen beibehalten können.
• Magnetometer (optional): Einige IMUs enthalten Magnetometer, die die Stärke und Richtung von Magnetfeldern messen. Diese Daten können dazu beitragen, die Orientierung des Geräts relativ zum Erdmagnetfeld zu bestimmen, wodurch die Navigationsgenauigkeit erhöht wird.

IMUs liefern kontinuierlich Daten über die Bewegung eines Objekts und ermöglichen so die Echtzeitverfolgung seiner Position und Ausrichtung. Diese Informationen sind entscheidend für Anwendungen wie Drohnen, Fahrzeuge und Robotik.

In Anwendungen wie Kameragimbals oder UAVs helfen IMUs, Bewegungen zu stabilisieren, indem sie unerwünschte Bewegungen oder Vibrationen kompensieren, was zu reibungsloseren Abläufen führt.

Koppelnavigation in der Luftfahrt ist eine traditionelle Navigationsmethode, die die aktuelle Position eines Flugzeugs schätzt, indem sie dessen letzten bekannten Standort unter Verwendung gemessener oder angenommener Parameter wie Kurs, Fluggeschwindigkeit, Zeit und Umweltfaktoren wie Wind vorwärts projiziert.

Anstatt sich auf externe Referenzen wie Funkfeuer, GNSS-Satelliten oder visuelle Landmarken zu verlassen, verwendet die Koppelnavigation die eigenen Bewegungsinformationen des Flugzeugs, um zu berechnen, wo es sich relativ zu seinem Ausgangspunkt befinden sollte. Der Pilot oder das bordeigene Navigationssystem beginnt mit einem bekannten Fixpunkt und wendet dann den wahren Kurs und die wahre Fluggeschwindigkeit des Flugzeugs über einen bestimmten Zeitraum an, um eine neue geschätzte Position zu berechnen.

Da sich das Flugzeug jedoch in einer vom Wind beeinflussten Luftmasse bewegt, muss die Berechnung Windrichtung und -geschwindigkeit berücksichtigen; andernfalls weicht die berechnete Flugbahn von der tatsächlich geflogenen ab.

In der modernen Luftfahrt verbessern INS die Koppelnavigation durch den Einsatz von Beschleunigungsmessern und Gyroskopen zur Messung linearer Beschleunigungen und Rotationsraten, wobei diese Messungen kontinuierlich integriert werden, um Geschwindigkeit, Lage und Position zu schätzen. Obwohl diese Trägheits-Koppelnavigation die Unabhängigkeit von externen Signalen erheblich verbessert, sammelt sie dennoch im Laufe der Zeit Fehler aufgrund von Sensorfehlern und Rauschen an. Aus diesem Grund wird INS-basierte Koppelnavigation oft mit GNSS oder anderen unterstützenden Quellen gekoppelt, um die Drift zu begrenzen und die Langzeitgenauigkeit zu gewährleisten.

Trotz dieser Einschränkungen bleibt die Koppelnavigation unerlässlich, um die Kontinuität der Navigation bei GNSS-Ausfällen, Funktstille-Missionen oder Operationen in Umgebungen zu gewährleisten, in denen externe Referenzen unzuverlässig oder nicht verfügbar sind.

Trägheitsnavigationssysteme für autonome UAVs und die Verteidigung

Autonome UAVs und Verteidigungsplattformen müssen eine stabile Navigation aufrechterhalten, wenn GNSS Signale ausfallen, an Qualität verlieren oder gestört werden. Unter diesen Bedingungen liefern Trägheitsnavigationssysteme kontinuierliche Messungen von Bewegung und Ausrichtung, ohne ausschließlich auf externe Positionssignale angewiesen zu sein.

Ein Trägheitsnavigationssystem kombiniert Gyroskope und Beschleunigungssensoren mit Navigationsalgorithmen, um Lage, Geschwindigkeit und Position zu ermitteln. Solange GNSS verfügbar ist, kann die Sensorfusion diese Daten nutzen, um die Trägheitsdrift einzugrenzen. Wenn GNSS nicht mehr verfügbar ist, setzt das System die Navigation anhand von Trägheitsmessungen und Koppelnavigation fort.

1 – Navigation in Umgebungen ohne GPS-Empfang

Moderne UAVs können durch Signalblockaden, Störungen oder gezielte Störmaßnahmen mit Situationen konfrontiert werden, in denen kein „GNSS “ (GPS) verfügbar ist. Daher benötigen autonome Plattformen Navigationstechnologien, die auch ohne kontinuierliche Satellitenortung weiterhin Bewegungs- und Lageinformationen liefern können.

Ein „ INS “ misst die Winkelbewegung und die lineare Beschleunigung des Fahrzeugs. Der Navigationsprozessor integriert diese Messwerte anschließend, um die Ausrichtung, Geschwindigkeit und Position des Fahrzeugs zu schätzen. Dieser Vorgang stellt eine Form der Kurs- und Positionsbestimmung dar, die ohne externes Positionssignal auskommt.

Bei UAVs gewährleistet diese Funktion die Aufrechterhaltung der Flugsteuerung, wenn die „ GNSS “ ausfällt. Das „ INS “ kann weiterhin Lage- und Bewegungsdaten an das Flugsteuerungssystem liefern, während andere Navigationsquellen ausfallen.

Das gleiche Prinzip gilt für unbemannte Systeme, die in umkämpften Umgebungen eingesetzt werden. Die Trägheitsnavigation ermöglicht es autonomen Plattformen, die Navigation aufrechtzuerhalten, wenn GPS oder andere externe Signale nicht mehr verfügbar sind. Darüber hinaus kombinieren „ GNSS “-gestützte „ INS “-Architekturen Trägheitsmessungen mit externen Referenzen, um kumulierte Navigationsfehler zu begrenzen.

Eine integrierte INS e beseitigt jedoch die Navigationsabweichung nicht. Während der Integration summieren sich kleine Sensorfehler, sodass die Positionsunsicherheit im Allgemeinen zunimmt, wenn das System ohne externe Korrekturen betrieben wird. Die Sensorqualität ist daher besonders wichtig für Missionen, die einen längeren Betrieb ohne „ GNSS “ erfordern.

Dies erklärt, warum Ingenieure die Leistung von Trägheitssensoren unter Berücksichtigung der zu erwartenden Einsatzbedingungen bewerten. Die Stabilität der Gyroskop-Offsetwerte, der Offset der Beschleunigungsmesser, das Messrauschen, die Aktualisierungsrate, Vibrationen, die Temperatur und die mechanische Integration können die Navigationsleistung beeinflussen.

2 – Auswahl von Navigationssensoren für autonome Missionen

Bei der Auswahl eines Trägheitssensors stehen die Missionsanforderungen im Vordergrund und nicht allein die Sensorkategorie. Autonome UAVs, geführte Systeme und andere Plattformen können sehr unterschiedliche Anforderungen hinsichtlich Genauigkeit, SWaP, Dynamik, Vibrationsfestigkeit und Integration in das „ GNSS “ stellen.

Ein Inertialsensor ( IMU ) liefert die grundlegenden Inertialmesswerte von Gyroskopen und Beschleunigungssensoren. Ein Inertialauswertungsmodul ( AHRS ) verarbeitet diese Messwerte, um Lageinformationen zu liefern. Ein Inertialsystem ( INS ) kombiniert Inertialmesswerte mit Navigationsverarbeitung und, je nach Architektur, mit externen Hilfsdaten wie beispielsweise der „ GNSS “.

Die Sensorqualität beeinflusst auch, wie schnell sich Navigationsfehler während Ausfällen des „ GNSS “ ansammeln. Hochleistungs-Trägheitssensoren weisen im Allgemeinen eine geringere Bias-Instabilität und ein geringeres Messrauschen auf. Ingenieure müssen diese Eigenschaften jedoch gegen Größe, Gewicht, Stromverbrauch, Kosten und Integrationsanforderungen abwägen.

Unsere MEMS-IMUs eignen sich ideal für Anwendungen in den Bereichen Zielerfassung, Navigation und Plattformstabilisierung, darunter Lenkraketen, Gleitbomben und Geschosse.

Auch die Integration spielt eine Rolle. Der Sensor muss Daten mit einer angemessenen Frequenz liefern und effektiv mit dem Flugcomputer, der Navigationssoftware und anderen Sensoren der Plattform kommunizieren. Die mechanische Befestigung kann ebenfalls die Leistung beeinträchtigen, da Vibrationen und Strukturdynamik zusätzliche Messfehler verursachen können.

Für autonome Drohnenmissionen sollten Ingenieure daher Folgendes prüfen:

• Stabilität der Gyroskop-Offsetwerte für eine langfristige Trägheitsleistung.
• Leistung des Beschleunigungssensors bei der Geschwindigkeits- und Positionsschätzung.
• Messrauschen bei der kurzfristigen Navigationsstabilität.
• Aktualisierungsrate und Latenz für reaktionsschnelle Regelkreise.
• Schwingungsdämpfung für hochdynamische Flugzeugzellen.
• Temperaturverhalten über den gesamten Betriebsbereich.
• SWaP für die Integration in den verfügbaren Plattformraum.
• GNSS Integration, solange die Satellitenunterstützung weiterhin verfügbar ist.
• Schnittstellen und Software zur Integration in die Fahrzeugarchitektur.

Die Unterscheidung zwischen den verschiedenen Sensorklassen gewinnt besonders dann an Bedeutung, wenn eine Mission eine unterbrechungsfreie Navigation während Ausfällen der „ GNSS “ erfordert. Kompakte MEMS-Systeme eignen sich für Plattformen mit begrenzten SWaP-Anforderungen, während leistungsstärkere taktische Systeme für anspruchsvolle Anwendungen eine verbesserte Trägheitsstabilität bieten können.

3 – Hochpräzise „ INS “ für BVLOS- und ISR-Einsätze

Einsätze außerhalb der Sichtreichweite (BVLOS) sowie Aufklärungs-, Überwachungs- und Aufklärungsmissionen (ISR) stellen zusätzliche Anforderungen an Navigationssysteme. Diese Plattformen können über große Gebiete hinweg operieren und benötigen möglicherweise während längerer Flugoperationen stabile Lage- und Navigationsdaten.

Das Navigations- und Steuerungssystem ( INS ) muss die Flugsteuerungsarchitektur des Flugzeugs unterstützen und gleichzeitig den Nutzlasten und Missionssystemen konsistente Navigationsdaten bereitstellen. Aufgrund dieser Anforderung ist die Sensorintegration ein wichtiger Bestandteil der gesamten Navigationsarchitektur.

Ein taktisches Navigationssystem „ INS “ kann leistungsstarke Trägheitssensoren mit „ GNSS “-Unterstützung und integrierten Navigationsalgorithmen kombinieren. Wenn „ GNSS “-Daten verfügbar sind, kann der Navigationsfilter Satellitenmessungen nutzen, um die Trägheitsdrift einzugrenzen. Bei einem Ausfall des „ GNSS “-Signals kann das System weiterhin Trägheitsmessungen verwenden, bis wieder externe Unterstützung verfügbar ist.

Die erforderliche Sensorqualität hängt von der Missionsdauer, der Plattformdynamik, der erwarteten Ausfallzeit und dem akzeptablen Navigationsfehler ab. Ingenieure sollten daher diese Parameter festlegen, bevor sie sich für ein IMU oder INS entscheiden.

SBG Systems entwickelt Trägheitsnavigationssensoren für Anwendungen, die präzise Lage-, Bewegungs- und Navigationsdaten erfordern. Die Produktpalette umfasst IMUs ( AHRS s), MRUs ( s) sowie GNSS-gestützte INS -Lösungen für autonome und anspruchsvolle Plattformen.

Bei autonomen UAV- und Verteidigungsanwendungen geht es nicht lediglich darum, einen Trägheitssensor mit hohen technischen Spezifikationen auszuwählen. Vielmehr müssen Ingenieure die Sensorleistung, die Integration und die Umgebungsmerkmale auf die gesamte Navigationsarchitektur abstimmen.

Das Ergebnis ist ein Navigationssystem, das auf die tatsächlichen Anforderungen der Mission zugeschnitten ist, darunter die Verfügbarkeit von „ GNSS “, Dynamik, Vibration, SWaP und die erforderliche Navigationsgenauigkeit.

Das Wichtigste auf einen Blick

1. INS liefert kontinuierliche Bewegungs- und Lage-Messwerte, wenn „ GNSS “ nicht verfügbar ist.
2. Dank der Koppelnavigation können autonome Plattformen auch bei Ausfällen der „ GNSS “-Funkverbindung weiter navigieren.
3. Trägheitsfehler summieren sich im Laufe der Zeit, weshalb die Sensorleistung bei längeren Ausfällen von entscheidender Bedeutung ist.
4. Die Stabilität der Gyroskop-Offsetwerte und das Messrauschen haben einen starken Einfluss auf die Leistung der Trägheitsnavigation.
5. Auch die Sensorintegration, Vibrationen, Temperatur, SWaP und Schnittstellen beeinflussen die Leistung auf Systemebene.
6. INS -Sensoren in taktischer Qualität können anspruchsvolle autonome Anwendungen unterstützen, wenn die Einsatzanforderungen über die von herkömmlichen Navigationssensoren hinausgehen.