Bewegungskompensation und Position
Unter Bewegungskompensation und -position versteht man die Fähigkeit eines Systems – in der Regel unter Einbeziehung von Sensoren oder Geräten –, Bewegungen anzupassen oder zu kompensieren, um genaue Positionsdaten aufrechtzuerhalten. Diese Kompensation gewährleistet zuverlässige und konsistente Positions- und Orientierungsdaten trotz äußerer Bewegungen oder Störungen.
Bewegungskompensation und Position: Wählen Sie den richtigen Inertialsensor
Ozeanographie spielt eine entscheidende Rolle angesichts der heutigen Umweltherausforderungen wie Klimawandel, Verschmutzung und Ökologie. Ozeanographen sind auf sich rasant entwickelnde Technologien angewiesen, um höhere Leistungen zu erzielen, die für das Verständnis und die Bewältigung von Herausforderungen unerlässlich sind.
Seit über 15 Jahren fertigen wir Inertialnavigationssysteme für die Schifffahrtsindustrie. Wir erklären, was Inertialnavigationssysteme sind und wie sie eingesetzt werden. Darüber hinaus beleuchten wir Schlüsselparameter, die für die Auswahl einer MRU oder eines INS/GNSS zur Bewegungskompensation und präzisen Positionsverfolgung ozeanografischer Instrumente von entscheidender Bedeutung sind.
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Ein Inertiales Navigationssystem, auch INS genannt, ist ein Navigationsgerät, das Roll-, Nick-, Gierwinkel, Position, Geschwindigkeit und Hebung liefert. Es besteht aus verschiedenen Elementen: einer Inertial Measurement Unit (IMU), die den Kern des INS bildet, einem Mikroprozessor und einem GPS/GNSS-Empfänger.
Die IMU enthält 3 Beschleunigungssensoren, 3 Gyroskope und, je nach Anforderungen an die Kursbestimmung, 3 Magnetometer. Sie misst Eulerwinkel über 3 Achsen durch Rotation, um Nick-, Roll- und Gierwinkel zu bestimmen. Der Mikroprozessor führt einen erweiterten, integrierten Extended Kalman Filter (EKF) aus, um Trägheitsdaten in Echtzeit mit GNSS zu fusionieren, falls Position, Geschwindigkeit oder GNSS-basierte Kursinformationen erforderlich sind. Zusätzlich liefern einige INS auch Hebe- und Wellenmessdaten für alle ozeanographischen Aufgaben und Missionen.
Ozeanographen verwenden viele verschiedene Instrumente, um diverse Elemente wie Umweltparameter (z. B. Salzgehalt), Sedimentologie oder Strömung zu messen. Dazu gehören Inertiale Navigationssysteme, die die Bewegungen der Instrumente oder der Plattform kompensieren.
Sie können auf verschiedenen Arten von Plattformen installiert werden, wie Bojen, Schiffen, Oberflächen- oder Unterwassersystemen (USV, ROV oder AUVs), wobei Größe, Stromverbrauch und Gehäuse entscheidende Faktoren bei der Wahl der Lösung sind, aber nicht die einzigen. Nachfolgend finden Sie 5 nützliche Tipps, die Sie bei der Auswahl eines Inertialsensors beachten sollten.
1 – Wie lässt sich die Robustheit und die Wiederholbarkeit der Daten überprüfen?
Da Trägheitssensoren in Plattformen integriert werden, die monatelang auf See bleiben können, ist die Robustheit der Sensoren von entscheidender Bedeutung. Aus diesem Grund unterziehen sich alle MRU und INS von SBG Systems einem individuellen High-End-Kalibrierungsverfahren unter Verwendung von mehrachsigen Drehtischen und Klimakammern.
Jeder Sensor wird von -40 °C bis 85 °C einer umfassenden Kalibrierung unterzogen und mit einem detaillierten Kalibrierungsbericht ausgeliefert. Dies ist ein wichtiger Schritt in der Produktion, da er sicherstellt, dass das System ein optimales, konstantes Verhalten beibehält und unter allen Umweltbedingungen, selbst unter den rauesten, kontinuierlich genaue Daten liefert.
Bei SBG garantiert der spezifische hauseigene Qualifizierungsprozess das gleiche Leistungsniveau über die gesamte Lebensdauer hinweg ohne nennenswerte Drift. Nach der Kalibrierung durchlaufen die Trägheitssensoren einen strengen Prüfprozess, bei dem alle Sensoren aussortiert werden, die nicht den Spezifikationen entsprechen, damit sich Fachleute bei ihren Einsätzen auf konsistente Messungen verlassen können.
2 – Schwankungsmessung: Auswahl des Sensors je nach Seegang
Wenn der miniaturisierte Inertialsensor von SBG namens Ellipse eine Hebung in Echtzeit mit einer Genauigkeit von 5 cm liefert, die sich automatisch an die Wellenperiode anpasst, tut er dies innerhalb einer begrenzten Wellenperiode. Um Einsätze zu ermöglichen, bei denen die Wellenfrequenzen größer oder komplexer sind, verfügen höherwertige SBG-Produkte über eine verzögerte Hebungsfunktion. Diese ermöglicht eine in Echtzeit berechnete Hebung mit einer Genauigkeit von 2 cm bei geringer Verzögerung.
3 – GNSS-Empfänger mit mehreren Konstellationen und Korrekturen
Die neuen GNSS-Einsteigerempfänger nutzen nun GPS, Glonass, Beidou und Galileo, was die Satellitenverfügbarkeit in gebieten mit geringer Abdeckung verbessert. Wenn die metrische Position für die Untersuchung nicht ausrichtet, erreichen High-End-Systeme dank PPP-Korrekturen eine Echtzeitposition von 5 cm.
Diese Technologie entwickelt sich ständig weiter, um erschwinglichere und einfachere Lösungen anzubieten. RTK, das zentimetergenaue Positionen liefert, bleibt die genaueste Positionierungslösung in Küstennähe. Wenn Daten nicht in Echtzeit benötigt werden, ist mit einer Nachbearbeitungssoftware sogar eine noch höhere Präzision möglich.
4 – Welche Kurslösung bei geringer Dynamik oder bei Einsätzen in der Nähe eines Pols?
Unsere Erfahrung zeigt, wie wichtig es bei den meisten oceanografischen Anwendungen ist, über ein Dual-Antennen-INS zu verfügen (d. h. ein INS, das zwei Antennen an demselben GPS/GNSS-Empfänger nutzt).
Im Gegensatz zu Single-Antenna-GPS nutzt diese Art von Inertialsensor zwei GPS/GNSS-Antennen, um Position, Geschwindigkeit und einen wahren Kurswinkel bereitzustellen, der auch im Stillstand oder bei sehr geringer Dynamik gültig ist. Zudem liefert er in jeder Situation einen wahren Kurs, ohne durch magnetische Störungen oder die Erddrehung beeinträchtigt zu werden, wie es bei Magnetometern und Gyrokompassen der Fall wäre. Dies ist ein entscheidendes Merkmal, insbesondere für aktuelle Studien und Einsätze in den Polargebieten.
Bei SBG haben wir gerade die Ellipse-D der 3. Generation auf den Markt gebracht – ein 17 Gramm schweres Dual-Frequenz- und Dual-Antennen-GNSS/INS mit High-End-Funktionen, das die ideale Lösung für die Ozeanographie darstellt.
5 – Einfache Integration und technischer Support
Inertialsensoren lassen sich nahtlos in jedes marine Projekt integrieren. Dies wird durch ihre Kompatibilität mit zahlreichen Branchensoftwarelösungen und Protokollen (mehr als 90 verschiedene Nachrichten bei SBG) ermöglicht. ROS-Treiber sind ebenfalls für eine einfache Integration in autonome Plattformen verfügbar.
Achten Sie bei der Auswahl eines Sensors nicht nur auf das Datenblatt, sondern auch auf die Unternehmensunterstützung während und nach der Integration.
Die Reaktionsfähigkeit und Kompetenz des Supports sind entscheidend für den Projekterfolg. Inertialerfassung und -navigation ist eine Disziplin, die zahlreiche Parameter berücksichtigt. Die Vermittlung von Grundlagen durch Schulungen kann zudem den entscheidenden Unterschied für eine schnelle Projektentwicklung ausmachen.
Wir haben gesehen, wie sich neue Miniatursensoren wie die Ellipse für die meisten ozeanografischen Anwendungen eignen. High-End-INS/GNSS kompensiert verschiedene Instrumente auf vollständig ausgestatteten Schiffen, die Instrumente unterschiedlicher Güteklassen integrieren.
Navsight-Lösung von SBG Systems
SBG Systems bietet die Navsight Marine Solution an, die eine Inertial Measurement Unit mit Roll-/Nick-Leistungsklassen von 0,02° bis 0,007° umfasst.
Navsight, eine robuste Verarbeitungseinheit, integriert Fusionsintelligenz, einen GNSS-Empfänger der Vermessungsklasse, einen Datenlogger und verschiedene Konnektivitätsoptionen.
Diese fortschrittliche Lösung eignet sich hervorragend für ganze Flotten von Schiffen, die sich der Ozeanographie widmen. Sie mussten Instrumente wie beispielsweise Fächerecholote kompensieren.
Für jede Art von Anwendung ist die Wahl eines Trägheitssensors wie die Wahl eines Partners für die Entwicklung Ihres Projekts. Wir hoffen, dass diese Ratschläge dazu beitragen, Ihre zukünftigen Integrationen zum Erfolg zu führen.
Der vollständige Artikel wurde in der Februarausgabe des Marine Technology Reporter veröffentlicht: „Motion Compensation and Position: Role and Important Features to Check when Selecting an Inertial Sensor“
