Inertiales Navigationssystem

Ein Inertiales Navigationssystem dient zur Messung der Orientierungs- und Positionsänderungen aus Beschleunigungsänderungen bewegter Objekte vor allem Flugzeuge und Mess-Fahrzeuge.

Grundprinzip

Die Inertialnavigation - auch Trägheitsnavigation - beruht auf dem Prinzip der zweifachen Integration gemessener Beschleunigungen und Drehungen.

Hochsensible Beschleunigungsmesser in drei Achsen registrieren Beschleunigungen in den drei Raumrichtungen. Über die Zeit integriert ermitteln sie Geschwindigkeiten und nochmals integriert zurückgelegte Wegstrecken in eben diesen Raumrichtungen.

Da sich die Trägheitsnavigationsplattform, auch Kreiselplattform genannt, selbst auch drehen kann, müssen auch Winkelbeschleunigungen gemessen werden.

Komplizierte Algorithmen passen dann noch das Koordinatensystem der Trägheitsplattform an, um die ermittelte Position in ein erdbezogenes Koordinatensystem zu überführen.

Weitere zu beachtende Faktoren sind die Erddrehung und die Bewegung um die gekrümmte Erdoberfläche.

Die Inertialnavigation wurde in den 1950er Jahren vom amerikanischen Militär entwickelt und kam erstmals im Atom-U-Boot "Nautilus" zum Einsatz.

Heutzutage ist sie auch in der Luftfahrt nicht mehr wegzudenken.

Bauteile und Plattformtypen

Die Messplattform wird durch elektronische oder mechanische Kreisel stabilisiert. Auf ihr befinden sich 3 Beschleunigungsmesser (Akzelerometer), deren Anzeige 20-100 mal pro Sekunde registriert wird. Drei Bauarten sind in Gebrauch:

a) Erdorientierte Plattform: für Luftfahrt und U-Boote, vorherrschend bis etwa 1980. Der Horizont wird durch Regelkreise der Erdkrümmung und Fahrt nachgestellt.

b) Raumorientierte Plattform: für Raketen und Flugkörper, ausgerichtet auf fixe Richtungen im Weltraum oder im Inertialsystem.

c) Fahrzeugorientiert: "Strap Down" (am Fahrzeug "festgeschnallt"), ab etwa 1975 incl. Laserkreiseln, für Militärflugzeuge; heute auch zu Land vorherrschend.

Einrichten und Kalibrieren

Vor Inbetriebnahme muss das System länger hochgelaufen und thermisch stabil sein. Dann wird die erdorientierte Plattform (a) horizontiert und nach Norden ausgerichtet. Bei den Systemen (b) und (c) ist vor dem Start die genaue Ausrichtung des Fahr- bzw. Flugzeugs mit Miren zu messen.

Im Betrieb wirken viele Fehlereinflüsse. Die wichtigsten sind Kreiseldrift, Achsnichtorthogonalität, Maßstabs- und Nullpunktsfehler. Sie bewirken ein quadratisches Anwachsen des Ortungsfehlers in der Zeit, was durch Modellierung der Fehler und durch Regelkreise vermindert wird.

Einsatzgebiete und Besonderheiten

• 1. Luftfahrt: Zur Bestimmung der Fluglage im Instrumentenflug und als Ergänzung der Funknavigation. Diese Geräte gehören bei Verkehrsflugzeugen zur Grundausrüstung und werden als Rack zum Einschieben konstruiert. Erst drei Systeme bieten Sicherheit (eine Differenz von zweien ist noch nicht wertbar). Genauigkeit 1-3 km pro Stunde.
• 2. Bildflug: Steuerung von Messflugzeugen und ihren Kameras für die Herstellung von Landkarten.
• 3. Bergwerke: eindimensionale Systeme für vertikalen Schacht und horizontalen Stollen; relativ preiswert.
• 4. Fahrzeugnavigation: mit Landrover- oder ähnlichen Messfahrzeugen in Ländern wie Kanada zunehmend im Einsatz für Fernerkundung und Geoinformationssysteme.
• 5. Geodäsie: wie (4.) mit zusätzlichen Zwischenstopps alle 3-5 Minuten, um das System im Stillstand neu zu kalibrieren. Dadurch Genauigkeiten einiger Dezimeter möglich.

Siehe auch: Faserkreisel, Kreiselkompass