Positionsabweichung

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Unter Positionsdrift versteht man die fortschreitende Zunahme des Positionsfehlers in einem Trägheitsnavigationssystem (INS), während dieses die Flugbahn eines Fahrzeugs im Zeitverlauf schätzt. Ein INS die Position durch Integration der Beschleunigungsmesswerte einer Trägheitsmesseinheit (IMU). Da die Integration Sensorfehler verstärkt, führen bereits geringe Messabweichungen zu einer zunehmenden Navigationsunsicherheit.

Eine IMU spezifische Kraft und Winkelgeschwindigkeit mithilfe von Beschleunigungssensoren und Gyroskopen. Der Navigationsalgorithmus transformiert diese Messwerte mithilfe der Lagebestimmung vom Sensorreferenzsystem in das Navigationsreferenzsystem. Das INS integriert INS die Beschleunigung, um die Geschwindigkeit zu berechnen, und integriert die Geschwindigkeit, um die Position zu berechnen:

$$p(t) = p_0 + \int_0^t v(\tau) d\tau$$

Da die Positionsbestimmung eine doppelte Integration der Beschleunigung erfordert, führen bereits kleine Fehler zu einer erheblichen Abweichung. Beispielsweise eine konstante Abweichung des Beschleunigungssensors $b_a$​ führt zu einem Geschwindigkeitsfehler, der linear mit der Zeit zunimmt:

$$\Delta v(t) = b_a t$$

Der daraus resultierende Positionsfehler wächst quadratisch:

$$\Delta p(t) = \frac{1}{2} b_a t^2$$

Auch Gyroskopfehler tragen zur Positionsdrift bei. Geringfügige Lagefehler führen zu einer fehlerhaften Projektion des Schwerkraftvektors in die horizontale Ebene, wodurch falsche Beschleunigungen entstehen, die die Navigationsfehler im Laufe der Zeit vergrößern. Die Instabilität der Sensor-Offsetwerte, die Rauschdichte, Skalierungsfehler, Fehlausrichtungen, Temperaturänderungen, Vibrationen und die Kalibrierungsqualität beeinflussen das Driftwachstum.

Hochleistungsfähige taktische und navigationstaugliche IMUs reduzieren diese Effekte durch präzise Kalibrierung und fortschrittliche Fehlerkompensation. Moderne INS begrenzen die Drift zusätzlich, indem sie Trägheitsmessungen mit Hilfsquellen wie GNSS, Odometrie, Doppler-Geschwindigkeitsmessern (DVL) oder visueller Navigation kombinieren.

Fortschrittliche Schätzalgorithmen (z. B. EKF) schätzen Sensorfehler kontinuierlich ab, verbessern so die Navigationsgenauigkeit und erweitern die autonome Positionsbestimmung auch bei längeren GNSS .