INS (Trägheitsnavigationssysteme) erklärt: IMU, Sensoren und Fusionstechnologie

Für jeden, der eine Plattform baut, die jederzeit wissen muss, wo sie sich befindet, egal ob es sich dabei um ein autonomes Fahrzeug, ein Vermessungsschiff, einen Industrieroboter oder einen luftgestützten Kartierungssensor handelt, ist GNSS allein selten ausreichend. Satellitensignale fallen in Tunneln, unter dichten Baumkronen, zwischen Hochhäusern und in jeder Umgebung ab, in der der Himmel teilweise blockiert ist. An dieser Stelle kommt ein Trägheitsnavigationssystem ins Spiel. Ein INS benötigt keine externen Signale, um zu funktionieren. Es verfolgt die Bewegung mithilfe seiner eigenen Bewegungssensoren und ist daher überall dort unverzichtbar, wo eine kontinuierliche Positionierung wichtig ist. In diesem Leitfaden erfahren Sie, was ein INS ist, wie eine IMU die Messungen im Kern erzeugt, warum die Drift die zentrale Herausforderung ist und wie die GNSS/INS-Integration zwei unvollkommene Technologien in eine einzige zuverlässige Lösung verwandelt.

Was ist ein Trägheitsnavigationssystem?

Ein Trägheitsnavigationssystem, kurz INS, ist eine eigenständige Navigationslösung, die Position, Geschwindigkeit und Lage durch Messung der Eigenbewegung der Plattform berechnet. Es besteht aus drei wesentlichen Bestandteilen: einem Sensorpaket, einer Verarbeitungseinheit und einer Reihe von Algorithmen, die rohe Bewegungsmessungen in einen kontinuierlich aktualisierten Navigationsstatus umwandeln. Der Name "inertial" leitet sich von Newtons erstem Gesetz ab. Das System beobachtet, wie die auf die Plattform wirkenden Kräfte ihre Bewegung verändern, und rekonstruiert aus diesen Beobachtungen, wo sich die Plattform befindet und wie sie ausgerichtet ist.
 

Entscheidend ist, dass ein INS keine Informationen von außerhalb des Fahrzeugs benötigt. Kein Satellitensignal, keine Funkbake, keine Kamera, keine Karte. Alles, was das System benötigt, wird von den Sensoren im Inneren des Fahrzeugs erzeugt. Diese Unabhängigkeit macht die Trägheitsnavigation unersetzlich für autonome Unterwasserfahrzeuge, autonome Bergbauausrüstungen unter Tage, Eisenbahn- und Straßeninspektionsplattformen in langen Tunneln und jede industrielle oder kommerzielle Plattform, die gelegentlich den Kontakt zu GNSS verliert.

Wie INS funktioniert: IMU, Integration und Dead Reckoning

Das Herzstück eines jeden INS ist eine Inertialmesseinheit (IMU). Eine IMU vereint dreiachsige Beschleunigungsmesser und dreiachsige Gyroskope in einem starren Gehäuse. Die Beschleunigungsmesser messen die spezifische Kraft, die auf die Plattform entlang dreier orthogonaler Achsen wirkt. Die Gyroskope messen die Rotationsgeschwindigkeit um dieselben Achsen, d. h. in Roll-, Nick- und Gierrichtung. Zusammen beschreiben die beiden Sensoren sechs Freiheitsgrade, was genau das ist, was für die Rekonstruktion einer vollständigen dreidimensionalen Bewegung erforderlich ist.
 

Um aus den IMU-Rohdaten eine brauchbare Position zu ermitteln, ist eine mathematische Integration erforderlich. Die Drehraten werden einmal integriert, um die Lage zu ermitteln. Die Beschleunigungssensoren werden, nachdem die Schwerkraft und die Neigung der Plattform entfernt wurden, einmal integriert, um die Geschwindigkeit zu ermitteln, und ein zweites Mal, um die Position zu bestimmen. Dieser Prozess wird als Strapdown-Inertialnavigation bezeichnet und oft mit dem Begriff "Dead Reckoning" beschrieben. Das System hat einen bekannten Startpunkt und aktualisiert seine Position, indem es kontinuierlich misst, wie es sich von diesem Referenzpunkt aus bewegt hat.
 

Da bei jedem Integrationsschritt kleine Messfehler auftreten, hängt die Genauigkeit des INS von zwei Faktoren ab: wie gut die IMU ist und wie oft die Lösung gegen eine bekannte Wahrheit korrigiert wurde. Eine hochpräzise IMU in einem Vermessungsflugzeug verhält sich ganz anders als eine MEMS-IMU in einem Smartphone. Bei beiden handelt es sich um Trägheitssensoren, aber die Verzerrungs-, Rausch- und Drifteigenschaften der Sensoren unterscheiden sich um mehrere Größenordnungen.

Diese Integrationsprinzipien werden in professionellen GNSS/INS-Systemen umgesetzt, die GNSS mit mehreren Konstellationen mit einer MEMS-IMU in Industriequalität kombinieren, um kontinuierliche Positions-, Lage- und Geschwindigkeitsdaten zu liefern. Das CGI-610 ist ein Beispiel für ein solches System (siehe unten).

Die wichtigsten Vorteile der INS-Navigation

Die Trägheitsnavigation bietet eine Reihe praktischer Vorteile, die keine andere Ortungstechnologie allein erreichen kann.
 

• Kontinuierliche Ausgabe ohne externe Signale: Ein INS liefert weiterhin Position, Geschwindigkeit und Lage, egal ob sich das Fahrzeug in einem Tunnel, unter Wasser oder in einem dichten städtischen Korridor befindet.
   
• Hohe Aktualisierungsraten: Typische IMUs für Vermessungszwecke geben Daten mit 100 bis 200 Hz aus, während hochpräzise oder für Navigationszwecke geeignete Einheiten mit 1.000 Hz oder mehr arbeiten können. Diese Auflösung unterstützt den Bewegungsausgleich in Echtzeit für Kameras, Lidar- und Sonar-Nutzlasten.
   
• Vollständige Drei-Achsen-Lage: Roll-, Nick- und Steuerkurs werden als Teil der nativen Lösung erzeugt und nicht von zwei Antennen abgeleitet oder von externen Sensoren zusammengefügt.
   
• Unempfindlichkeit gegen Jamming und Spoofing: Da die Sensoren in sich geschlossen sind, ist ein INS nicht anfällig für Hochfrequenzangriffe, die zunehmend GNSS betreffen.
   
• Glatte Bewegungsschätzungen: Die Lösung ist von Natur aus rauscharm über kurze Intervalle, was sie ideal für Stabilisierungs- und Kontrollschleifen macht, die auf saubere Lagedaten angewiesen sind.
   

Diese Vorteile sind der Grund, warum ein INS-Navigationssystem das Herzstück hochwertiger Plattformen in den Bereichen Autonomie, Kartierung und industrielle Steuerung bildet, selbst wenn auch GNSS verfügbar ist.

IMU-Sensoren erklärt: Beschleunigungssensoren, Gyroskope und MEMS

Um die Leistung von INS zu verstehen, ist es hilfreich, die Sensoren selbst zu kennen. Ein IMU-Sensorpaket enthält zwei verschiedene Messfamilien mit jeweils eigenen Fehlereigenschaften.
 

Beschleunigungssensoren messen die spezifische Kraft entlang einer einzigen Achse. Bei einer stationären IMU, die auf einem Tisch steht, wird der Ausgang jedes Beschleunigungsmessers von der Komponente der Schwerkraft dominiert, die entlang dieser Achse wirkt. Zieht man die Schwerkraft ab, so bleibt die Beschleunigung der Plattform selbst übrig. Die wichtigsten Fehlerquellen sind der Bias, ein sich langsam verändernder Offset, der Skalenfaktor, der die Verstärkung der Messung verändert, und das Rauschen, ein hochfrequenter Zufall, der die Geschwindigkeit der Erkennung kleiner Bewegungen begrenzt.
 

Gyroskope messen die Winkelgeschwindigkeit, d. h. wie schnell sich die Plattform um eine bestimmte Achse dreht. Ihre Fehler folgen den gleichen Familien: Vorspannung, Skalenfaktor und Rauschen. Die Vorspannung des Gyroskops ist besonders wichtig, da sich ihr Integral im Laufe der Zeit zu einem Kursfehler aufbaut, der wiederum die Ausrichtung jeder nachfolgenden Beschleunigungsmessung verfälscht. Ein fehlerhafter Kreisel verschlechtert die gesamte Lösung.
 

MEMS-IMU-Geräte, die mikroelektromechanische Siliziumstrukturen verwenden, sind das Arbeitspferd der modernen Trägheitsnavigation geworden. Sie sind klein, stromsparend und preiswert genug, um in Verbraucherprodukten eingesetzt zu werden. Die Leistung hat sich in den letzten zehn Jahren dramatisch verbessert, so dass eine hochwertige MEMS-IMU heute die Anforderungen von Vermessungsplattformen, industrieller Navigation und Forschung zum autonomen Fahren erfüllen kann. Der Nachteil ist, dass MEMS-Sensoren immer noch schneller driften als Glasfaser- oder Ringlaserkreisel, weshalb sie in professionellen Systemen fast immer mit GNSS oder einer anderen Hilfsquelle gepaart werden.

INS-Genauigkeit und das Driftproblem

Das wichtigste Konzept der Trägheitsnavigation ist die Drift. Ein eigenständiges INS, das sich selbst überlassen ist, wird eine Positionsschätzung abgeben, die sich langsam von der tatsächlichen Position entfernt. Die Rate dieser Drift ist die wichtigste Spezifikation für jede Trägheitseinheit, und sie variiert um Größenordnungen je nach Produktklasse.
 

Eine MEMS-IMU der Verbraucherklasse in einem Smartphone kann innerhalb weniger Sekunden nach einem GNSS-Verlust mehrere Meter abdriften. Eine MEMS-IMU in Vermessungsqualität mit sorgfältiger Kalibrierung kann bei einem GNSS-Ausfall über mehrere Sekunden hinweg eine Genauigkeit von weniger als einem Meter aufweisen. Eine hochpräzise IMU kann eine Genauigkeit von unter einem Meter über viele Minuten halten. Eine für die Navigation geeignete Einheit mit Glasfaserkreiseln kann eine Leistung erbringen, die für Unterwasser-Vermessungsschiffe und luftgestützte Vermessungsplattformen mit langer Lebensdauer ausreicht. Die physikalischen Grundlagen sind dieselben, nur die Qualität der Sensoren ändert sich.
 

Jede IMU-Spezifikation impliziert eine unausgesprochene Annahme: Die Drift wird ausgehend von der letzten bekannten guten Referenz gemessen. Aus diesem Grund ist fast jedes reale Trägheitssystem nicht nur ein INS, sondern ein unterstütztes INS. GNSS, ein visueller Kilometerzähler, ein Raddrehgeber, ein Doppler-Geschwindigkeitsprotokoll oder eine andere externe Messung wird mit der Inertiallösung verschmolzen, um sie in Richtung der Wahrheit zu ziehen, bevor sich die Drift ansammelt. Die Wahl der Hilfsquelle ist es, die die Produktkategorien unterscheidet. In den Bereichen Geodaten und Automobil ist die überwiegende Wahl GNSS, und die Kombination hat einen eigenen Namen.

GNSS/INS-Integration: Warum die Kombination wichtig ist

Ein GNSS/INS-System, auch GNSS-gestütztes INS genannt, ist die praktische Antwort auf die Einschränkungen beider Technologien. GNSS bietet eine absolute Positionierung, die nicht driftet, sondern von der Sichtbarkeit der Satelliten abhängt. INS bietet eine kontinuierliche kurzfristige Genauigkeit ohne externes Signal. Kombiniert man beide Technologien, erhält man ein System, das besser ist als jede einzelne Technologie für sich, ohne dass sich die Schwächen der einzelnen Technologien für den Benutzer bemerkbar machen.
 

Die Fusion selbst wird von einem Kalman-Filter durchgeführt, der kontinuierlich die Verzerrung, den Skalierungsfaktor und die Lagefehler der IMU schätzt und dabei GNSS-Beobachtungen als Referenz verwendet. Wenn GNSS verfügbar ist, kalibriert der Filter die IMU und das System veröffentlicht eine genaue Position in GNSS-Qualität. Wenn das GNSS ausfällt, empfängt der Filter keine neuen Korrekturen mehr, aber die IMU überträgt die Lösung weiter nach vorne. Da die IMU kürzlich kalibriert wurde, ist die Drift während des Ausfalls begrenzt. Sobald GNSS wieder verfügbar ist, erfasst der Filter die Daten erneut und setzt alle aufgelaufenen Fehler zurück.
 

Der Vorteil ist in realen Einsätzen sichtbar. Ein Auto, das in eine Stadtschlucht hineinfährt, behält eine gleichmäßige Position auf der Fahrbahn bei, anstatt zwischen Gebäuden hin und her zu springen. Ein Vermessungs-UAV, das in den Schatten einer Brücke einfährt, behält seine Fahrspur bei, anstatt die Daten als unzuverlässig zu markieren. Ein UAV-Fotogrammetrieflug produziert auch nach einem kurzen GNSS-Ausfall georeferenzierte Bilder, ohne dass im endgültigen Orthomosaik eine Naht sichtbar wird. In jedem Fall füllt das INS eine Lücke, die das GNSS allein nicht schließen würde.
 

Die CGI-610 GNSS/INS mit zwei Antennen, die CGI-830 GNSS/IMU Ground Truth Unit und die hochpräzise MEMS IMU CI-710 von CHC Navigation basieren alle auf diesem Prinzip. Leser, die einen tieferen Einblick in die Vorteile der Fusion wünschen, können auch den Begleitartikel über die GNSS-INS-Integration lesen.

MEMS IMU vs. Hochpräzisions-INS-Grade

Bei der Evaluierung einer Inertiallösung ist die Qualität der IMU in der Regel die erste Entscheidung. Die modernen Optionen lassen sich in eine grobe Hierarchie einordnen, die auf der Driftrate der Gyroskope basiert, die der wichtigste Faktor für die mittel- bis langfristige Genauigkeit ist.
 

• Consumer MEMS: In Smartphones und Wearables zu finden. Nützlich für kurzfristige Lagebestimmung und Koppelnavigation für Fußgänger, aber nicht geeignet für Präzisionspositionierung.
   
• Industrielle MEMS: Werden in der Robotik, in landwirtschaftlichen Geräten und in Vermessungsplattformen der Einstiegsklasse eingesetzt. Liefert bei häufiger GNSS-Unterstützung eine nutzbare freilaufende Genauigkeit im Sekundenbereich.
   
• Hochpräzise MEMS: Der moderne Sweet Spot für Vermessung, Autonomieforschung und ADAS-Validierung. Hält die Position auch bei bedeutenden GNSS-Ausfällen und bleibt dabei kompakt und erschwinglich.
   
• Glasfaser- und Ringlaser-Inertialsysteme: Reserviert für Navigationsanwendungen, bei denen die Kosten im Vergleich zur Leistung zweitrangig sind, wie z. B. in der Luft- und Raumfahrt, sowie für hochpräzise Bodenmessungen.
   

Die richtige Wahl hängt davon ab, wie lange das System ohne GNSS-Unterstützung arbeiten muss, wie hoch die Anforderungen an die Lagegenauigkeit sind und wie viel Größe, Gewicht und Leistung die Host-Plattform verkraften kann. Für die meisten kommerziellen Geodaten- und Autonomieanwendungen im Jahr 2026 ist eine hochpräzise MEMS-IMU, die eng mit einem Multifrequenz-GNSS-Empfänger gekoppelt ist, die richtige Wahl.

Allgemeine Anwendungen von INS-Navigationssystemen

Die Trägheitsnavigation wird in überraschend vielen Branchen eingesetzt. Einige der häufigsten Anwendungen sind:
 

• Autonome Fahrzeuge und ADAS: INS liefert die kontinuierliche Bewegungsschätzung, auf die sich Spurhalte- und automatische Fahrsysteme zwischen den GNSS-Aktualisierungen verlassen.
   
• Mobile Kartierung und luftgestütztes Lidar: INS sorgt für die Georeferenzierung jedes Scanpunkts, und seine Lagenlösung verwandelt rohe Sensorabtastungen in eine konsistente Punktwolke.
   
• Marine und hydrographische Vermessung: Die Bewegungskompensation für Fächerecholote und ADCP-Profiler hängt direkt von der hochratigen Lageausgabe der IMU ab.
   
• Luftvermessungs-UAVs: Direkte Georeferenzierung von Drohnenbildern für Photogrammetrie- und Lidar-Missionen.
   
• Robotik- und Autonomieforschung: INS ist oft die Grundlage, anhand derer andere Sensoren, wie visuelle Odometrie, SLAM und Lidar, validiert werden.
   
• Industriemaschinen: Jede Anwendung, die die Navigationsintegrität aufrechterhalten muss, wenn externen Signalen nicht vertraut werden kann.

Schlussfolgerung

Ein Trägheitsnavigationssystem ist eine der wenigen Technologien, die auch dann noch eine verlässliche Position liefern können, wenn der Rest der Welt ausfällt. Das Geheimnis ist die IMU in ihrem Kern, ein kompaktes Sensorpaket, das die Eigenbewegung der Plattform schnell und genau genug misst, um die Navigation zwischen externen Korrekturen aufrechtzuerhalten. Alleine driftet jedes INS irgendwann ab. In Verbindung mit GNSS wird es zur Grundlage moderner Positionsbestimmung für autonome, geospatiale, maritime und luftgestützte Anwendungen. Unabhängig davon, ob der Ausgangspunkt eine einfache Frage wie "Was ist ein IMU-Sensor?" oder eine detaillierte Handelsstudie zwischen MEMS- und faseroptischen INS ist, die zugrunde liegenden Prinzipien sind die gleichen, und die technischen Entscheidungen laufen alle darauf hinaus, die Drift zu bewältigen und die richtige Hilfsstrategie für die Aufgabe zu wählen.

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Über CHC Navigation

CHC Navigation (CHCNAV) entwickelt fortschrittliche Kartierungs-, Navigations- und Positionierungslösungen, die die Produktivität und Effizienz steigern. CHCNAV beliefert Branchen wie Geodaten, Landwirtschaft, Maschinensteuerung und Autonomie und liefert innovative Technologien, die Fachleute befähigen und den Fortschritt in der Branche vorantreiben. Mit einer weltweiten Präsenz in über 140 Ländern und einem Team von mehr als 2.200 Fachleuten ist CHC Navigation als führend in der Geospatial-Industrie und darüber hinaus anerkannt. Weitere Informationen über CHC Navigation [Huace:300627.SZ] finden Sie unter: https: //navigation.chcnav.com/about/overview