vehicle's full dynamic range. Despite the absence of mechanical gimbals, strap-down systems are signif-
icantly more robust operationally than gimbaled systems, although they demand higher sensor range,
scale factor accuracy, and sensor durability.
All unaided inertial navigation systems experience drift over time, as small measurement errors accumu-
late, resulting in progressively larger errors in velocity and, especially, position due to double integration
over time. The methods for compensating and correcting this drift, particularly in real-time applications,
differ substantially across market solutions. Only suppliers who excel in providing unaided inertial navi-
gation with the highest performance — especially under challenging environmental conditions, often re-
garded as the 'king class of inertial measurement technology' — are capable of delivering compelling
solutions for aided navigation scenarios as well.
Control theory, particularly Kalman filter-based techniques, provides a framework for integrating comple-
mentary data from various sensors, a process known as sensor data fusion. Common supplementary
sensors used to support INS-based systems include satellite navigation systems like GPS, GALILEO,
BeiDou and GLONASS (GNSS), as well as odometers, air data sensors, magnetometers, radio position-
ing systems, and more. Additionally, specific techniques such as Zero Velocity Update (ZUPT) and Posi-
tion Update (PUPT) can enhance accuracy for particular applications. (Link)
The significant risks of other signal processing methods, such as AI-based approaches, which are
often greatly underestimated by inexperienced users, are discussed in a dedicated chapter of this paper,
particularly regarding their use not only in safety-critical or reference measurement applications.
Trägheitsnavigations- und -führungssysteme wurden ursprünglich zur Steuerung von Raketen
entwickelt. Heutzutage werden sie in vielen Anwendungen eingesetzt, von der horizontalen Rich-
tungsbohrtechnik tief unter der Erdoberfläche bis zur Navigation von Raumfahrzeugen. Heutzu-
tage kommt jeder täglich mit Trägheitstechnologie in Kontakt: Zum Beispiel enthält jedes mo-
derne Auto mindestens ein Gyroskop und zwei Beschleunigungssensoren für das ESP (elektro-
nisches Stabilitätsprogramm) oder für die Airbag-Steuerung, um das Reisen auch in schwierigen
Umgebungen so sicher wie möglich zu machen. Auch jedes Smartphone enthält heute Beschleu-
nigungssensoren, Gyroskope sowie einen GNSS-Empfänger und ein Magnetometer.
Ein typisches Trägheitsnavigationssystem (INS, inertial
navigation system) verwendet als Sensoren Gyroskope
(Drehratensensoren) und Beschleunigungssensoren.
Die Gyroskope werden dabei verwendet, um die Orien-
tierung des Fahrzeugs zu bestimmen und insbesondere
auch, um die Messdaten der Beschleunigungssensoren
in Bezug auf die Schwerkraft zu kompensieren. Das be-
deutet, eine große Menge an Differentialgleichungen in
Echtzeit zu lösen, um diese Messwerte in Schätzungen
von Geschwindigkeiten, Position, Lage und Kurs umzu-
wandeln, ausgehend von einer bekannten Anfangsposi-
tion in Breiten- und Längengrad.
Die heutige Implementierung von Trägheitsnavigations-
systemen (INS) erfolgt in der sogenannten "strap-down"-Technologie, bei der alle Trägheits-
sensoren (Gyroskope und Beschleunigungssensoren) steif am Fahrzeug montiert sind. In der
Vergangenheit wurden die Systeme in der sogenannten "gimbal"-Technologie entworfen, bei der
die Gyroskope verwendet wurden, um die Beschleunigungssensoren mechanisch im Raum zu
stabilisieren. In strap-down-Systemen erfolgt die Stabilisierung mathematisch, und daher sind
alle Trägheitssensoren den vollen Fahrzeugdynamiken ausgesetzt. Aufgrund fehlender mecha-
nischer Gimbals sind die strap-down-Systeme im Betrieb viel robuster als die gimballed Systeme,
aber die Anforderungen an den Messbereich, die Skalenfaktorgenauigkeit und die Robustheit der
Sensoren sind entsprechend höher.
Alle ungestützten Trägheitsnavigationssysteme leiden aufgrund der erforderlichen mathemati-
schen Integration von Drehraten und Beschleunigungen zur Bestimmung der Lagewinkel und
Position unter einer zeitabhängigen Drift, weil kleine Fehler in den Messungen zu progressiv grö-
ßeren Fehlern in Geschwindigkeit und insbesondere Position aufgrund der doppelten Integration
über der Zeit führen. In der Kompensation und Korrektur dieser Drift insbesondere in
iMAR
10/2024 rev. 2.51 DocNo.: DOC181020012 technical modifications reserved w/o notice
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