Warum dauert die IRS-Ausrichtung so lange?

GPS schneller? Ja und nein

GPS ist schneller, je nachdem, welchen Fall wir betrachten wollen: Kaltstart, Neustart oder Betriebseinsatz.

• Kaltstart, wie zum Beispiel beim ersten Einsatz des Instruments: Trägheitsreferenzsysteme (IRS) sind schneller als GPS, um den ersten Fix zu liefern ( TTFF ): Weniger als 10 Minuten (Ausrichtung) gegenüber 12,5 Minuten für das GPS, die Zeit bis Empfangen Sie den Sternbild -Almanach von jedem Satelliten, eine Nachricht, die 90 Tage gültig ist.

• Warmstart, wie von heute auf morgen: GPS ist schneller, bei vorheriger Nutzung speichert es den Almanach. Es muss jetzt die Ephemeriden für jeden Satelliten in Sicht bringen, eine 12s-Datenübertragung, die alle 30s wiederholt wird (verschachtelt mit Almanach-Daten) und 2 Stunden lang gültig ist. Wenn der Neustart innerhalb von 2 Stunden erfolgt und Ephemeriden für in Sicht befindliche Satelliten zwischengespeichert wurden, dauert es nur wenige Sekunden, bis der Empfänger den Satellitendatenstrom erfasst und die ionosphärischen Auswirkungen auf die Funksignalgeschwindigkeit bewertet. Die IRS-Initialisierung dauert genauso lange wie bei einem Kaltstart.

• Operative Nutzung: IRS ist schneller, es kann bei richtiger Ausrichtung sofort und kontinuierlich eine Position liefern, während das GPS möglicherweise nur 10 oder 100 Aktualisierungen pro Sekunde liefern kann. Dieser Parameter ist wichtig für schnelle Flugzeuge, in 0,1 s fliegt ein Verkehrsflugzeug bei M.82 um mehr als 200 m (wenn Sie das in der Frage erwähnte Autonavigationssystem mit einer Aktualisierungsrate von 1 s verwenden würden, wären es 2 km zwischen aufeinanderfolgenden Fixes).

Für den täglichen Betrieb ist IRS also definitiv langsamer bei der Initialisierung, wie Sie beobachtet haben.

GPS und IRS werden nicht auf die gleiche Weise verwendet

Wir fragen uns vielleicht, warum diese langsamen IRS immer noch in der Flugzeugelektronikbucht zu sehen sind. Erstens haben sie zwei erhebliche technische Vorteile:

• Sie liefern Informationen schneller, wenn sie ausgerichtet sind. Diese Fähigkeit ist von größter Bedeutung für leistungsbasierte Operationen.

• Sie verlassen sich nicht auf die Verfügbarkeit einer externen Infrastruktur, um betriebsbereit zu sein (Satelliten, Überwachungs-/Kontrollstationen, SBAS-Overlays wie WAAS, EGNOS, SDCM ...) oder auf Funkübertragung. Vor dem Jahr 2000 war das GPS gemäß der Entscheidung von US-Generälen einer selektiven Verfügbarkeit unterworfen und konnte immer noch unter absichtlicher Störung leiden .

Aber unabhängig von diesen Vorteilen haben IRS nicht die gleichen Ziele wie GPS. GPS wird verwendet, um eine Position, eine Doppler-Bodengeschwindigkeit und eine Zeitreferenz zu erhalten. Andere Informationen, wie Kurs, Fluglage, Linear- und Winkelbeschleunigungen, Windvektor (mit Hilfe der Luftdateneinheit), Driftwinkel, alle kritischen Daten für ein großes automatisiertes Flugzeug, müssen aus anderen Quellen bezogen werden, die erste ist die IRS.

Beispielsweise ist die schnelle Bestimmung des Lageparameters entscheidend für den Schutz der Flughülle und die Steuerung des Gierdämpfers. Dies ist nur mit einem IRS möglich. Wenn ein Airbus-Flugzeug seine 3 IRS verliert, verliert es den größten Teil des Fly-by-Wire-Schutzes und die Rudersteuerung fällt auf eine mechanische Verbindung zurück, sodass der Pilot das Gieren mit Pedalen steuern, die aerodynamischen Anstrengungen am Ruder spüren und sie innerhalb eines akzeptablen Bereichs halten kann Grenzen, jetzt, da die Gierratenerkennung verloren gegangen ist.

IRS liefert tatsächlich Primärdaten an verschiedene Geräte wie automatisches Bremsen (Anti-Rutsch), vertikale Geschwindigkeitsanzeige oder Schubmanagement-Computer.

Dies erklärt, warum IRS nicht aus dem Elektronikschacht entfernt werden (es kann INS, IRS, IMU oder heute kombiniert mit Luftdateneinheiten wie ADIRU sein ). Da sie andererseits einer kontinuierlichen Drift unterliegen, kann ihre Position regelmäßig durch die GPS-Position (oder höchstwahrscheinlich durch eine gewichtete Mischung verschiedener Quellen ) aktualisiert werden.

Lassen Sie mich das Prinzip hinter IRS und GPS erläutern und wie sie gestartet werden.

Zeit, eine Lösung von einem IRS zu bekommen

Ein IRS besteht aus 3 Beschleunigungsmesser-Gyrometer-Paaren, die zueinander senkrecht stehen. Gyrometer quantifizieren Winkelbewegungen wie Gieren oder Rollen und legen einen Referenzrahmen für die Beschleunigungsmesser fest. Die Beschleunigungsmesser quantifizieren lineare Bewegungen, um die Flugzeugposition zu aktualisieren.

^{Gesamtprinzip eines Strapdown-IRS, Quelle}

Während der Ausrichtung erfassen die Beschleunigungsmesser die Summe aus Erdbeschleunigung und Zentripetalbeschleunigung (aufgrund der Tangentialgeschwindigkeit aus der Erdrotation, proportional zum Breitengrad), um die horizontale Ebene (aus dem Schwerefeld), den wahren Norden (aus der Erdrotationsachse) und den Breitengrad zu bestimmen (aus Zentripetalbeschleunigung). Aber es gibt eine Herausforderung:

• Die Bestimmung der Polachse erfordert die Kenntnis der lokalen Zentripetalbeschleunigung, die wiederum vom Breitengrad abhängt, und

• Um zu bestimmen, welcher Teil der lokal erfassten Beschleunigung auf den Breitengrad (und nicht auf die Schwerkraft) zurückzuführen ist, muss die Richtung der Erdrotationsachse (geografischer Norden) bekannt sein. Dies wird numerisch gelöst, indem sukzessive Approximationen beider Daten verwendet werden.

• Dieser Prozess ist konvergent, und sowohl die Breiten- als auch die Nordrichtungsgenauigkeit nimmt zu, wenn der Prozess zeitlich verlängert wird.

• Die Konvergenz ist langsam und das Erreichen einer Betriebsgenauigkeit erfordert in der Tat die uns bekannte lange Zeit.

Die Langsamkeit, die von der Erdrotation herrührt, hat nur winzige Auswirkungen auf die Beschleunigungssensoren, und wir haben noch keine praktikableren Sensoren gefunden. Die Auswirkungen hängen vom Abstand von der Erdrotationsachse ab, am Äquator größer als an den Polen, daher ist die Ausrichtung am Äquator auch schneller.

Die Genauigkeit der wahren Nordpeilung steigt mit der Ausrichtungszeit:

^{Quelle: Eine verbesserte Ausrichtungsmethode für das Strapdown-Trägheitsnavigationssystem}

Die Ausrichtung erfordert, dass die Einheit bewegungslos ist, jede unregelmäßige Bewegung verringert das IRS-Signal/Rausch-Verhältnis, was diesen Prozess verlangsamt (Einsteigen von Passagieren, Wind, der auf die Heckflächen einwirkt, usw.).

GNSS-Prinzip: Muss die aktuelle Position der Satelliten kennen

Um einen Fix zu berechnen, muss der Empfänger wissen:

• Die Satellitenpositionen.
• Die Zeit, die das Signal von jedem Satelliten benötigt, um den Empfänger zu erreichen.

... beide Daten mit astronomischer Genauigkeit.

Um die Position zu berechnen, benötigt der Empfänger die am Boden berechneten Orbitalelemente aus den Messungen der Kontroll- und Verfolgungsstationen, die auf die Satelliten hochgeladen werden, die nur als Relais fungieren, um diese Informationen zusammen mit einer Zeitreferenz von einer sehr genauen eingebetteten Uhr zu senden.

Der GNSS-Empfänger berechnet dann die aktuelle Position des Satelliten entlang seiner Umlaufbahn und bestimmt die Zeit, die das GPS-Signal benötigt hat, um sich in der Atmosphäre fortzubewegen, wodurch die Entfernung des Empfängers zu einem bekannten Punkt im Weltraum bereitgestellt wird. Mit 4 Satelliten und 3D-Triangulationsverfahren kann die Empfängerposition bestimmt werden.

Satellitenparameter werden mit unterschiedlichen Raten gesendet:

• Grobe Parameter für alle Satelliten, auch Almanache genannt, die 90 Tage gültig sind, werden alle 12,5 Minuten von allen Satelliten gesendet (es kann also bis zu 12,5 Minuten dauern, bis ein brandneuer Empfänger den ersten Fix liefert).

• Ergänzende genaue Parameter für einen bestimmten Satelliten, auch Ephemeriden genannt (die spezifische Korrekturen enthalten), die nur zwei Stunden lang gültig sind, werden nur von diesem Satelliten alle 30 Sekunden gesendet, sodass es bis zu 30 Sekunden dauern kann, bis ein Empfänger mit einem gültigen Almanach einen liefert genaue Korrektur nach dem Neustart (wenn die zwischengespeicherten Ephemeriden für die derzeit sichtbaren Satelliten zu alt sind), selbst wenn eine grobe Korrektur fast sofort geliefert werden kann.

Zu erwähnen ist auch, dass GPS Ihnen nur wirklich sagt, wo Sie "waren", nicht wo Sie sich befinden. GPS-Impulse werden nur mit der erstaunlichen Rate von 1 Hz empfangen. Einmal pro Sekunde erhalten Sie also eine "Positionsfixierung" darüber, wo Sie sich vor einer Sekunde befunden haben, sowie einige Koppelnavigationen in Apps wie Google Maps und solchen, die versuchen zu erraten, wohin Sie zwischen den Impulsen gehen. INS hingegen rechnet fast kontinuierlich, wobei viele Luftfahrtvarianten wie der Honeywell 764 die Position bei etwa 240 Hz berechnen.

Je nach angeschlossener Datenschnittstelle bekommt man die Positionsbestimmung nicht so schnell (40hz), aber das ist immer noch viel schneller als GPS. Außerdem liefert ein INS einem Flugzeug Informationen, die fast wichtiger sind als die Position, und das sind Fluglage, Geschwindigkeiten und Beschleunigungen. Diese sind für Systeme wie Autopilot, Head-up-Display, Radar usw. absolut unerlässlich. Außerdem können Sie mit einem Kalman-Filter mit geschlossenem Regelkreis sicherstellen, dass berechnete Fehler in das System zurückgeführt werden, um Ihnen über einen langen Zeitraum eine äußerst genaue Position zu liefern. (~0,1 NM/h Drift).

GPS ist nutzlos für Autolanding, Autonavigation und eigenständige Anflüge, die für militärische Anwendungen eine große Sache sind. Das oben erwähnte Honeywell ist ein EGI (erweitert GPS/INS). Es nimmt die GPS-Impulse und hackt jede Sekunde die INS-Position. Das ist wirklich das Beste aus beiden Welten. Wenn GPS sehr genau ist (basierend auf der Position der Konstellation über Ihnen), dann können Sie eine GPS-Position nicht schlagen. Aber wenn das GPS schlecht ist oder verweigert wird, wird das INS die Hacks ablehnen und die Arbeit erledigen.

GPS ist praktisch, aber ich glaube nicht, dass es jemals ein gutes altmodisches INS ersetzen wird.