Was sind die Vorteile der GNSS-INS-Integration?

Die hydrografische Vermessung erfordert etwas, was die meisten Positionierungstechnologien nicht leisten können: eine kontinuierliche, hochpräzise Positionierung in einer Umgebung, die dem entgegenwirkt. Schiffe rollen und neigen sich im offenen Wasser. Brücken und Schluchtwände behindern Satellitensignale. Hochfrequenzstörungen in belebten Häfen verschlechtern die Qualität der GNSS-Ortung. Und all dies geschieht, während ein Fächerecholot versucht, präzise Tiefendaten unterhalb der Wasserlinie zu erfassen. Ein eigenständiges GNSS ist unter diesen Bedingungen einfach nicht zuverlässig. An diesem Punkt wird die GNSS-INS-Integration, die Verschmelzung von Satellitenpositionierung mit einem Trägheitsnavigationssystem, nicht nur nützlich, sondern unerlässlich. Für moderne hydrographische Vermessungsarbeiten ist ein robustes GNSS-INS-System die Grundlage, auf der alles andere aufgebaut wird.

Das Verständnis der beiden Systeme

Was ist GNSS?

GNSS (Global Navigation Satellite System) ist der Oberbegriff für satellitengestützte Ortungsnetze wie GPS (Vereinigte Staaten), GLONASS (Russland), Galileo (Europa) und BeiDou (China). Ein GNSS-Empfänger berechnet seine absolute Position, Geschwindigkeit und Zeit, indem er Signale von mehreren Satelliten gleichzeitig verarbeitet. Unter freiem Himmel erreichen moderne RTK-GNSS-Empfänger eine Genauigkeit im Zentimeterbereich, was sie zum Rückgrat professioneller Vermessungsabläufe macht.

Die Einschränkung liegt in der Funktionsweise der Technologie begründet. GNSS beruht auf Funksignalen mit Sichtverbindung zwischen dem Empfänger und den Satelliten in der Umlaufbahn. Die Aktualisierungsrate beträgt in der Regel 1-10 Hz. In dem Moment, in dem diese Signale durch ein Brückendeck, eine überhängende Klippe, dichte städtische Strukturen oder schlechtes Wetter blockiert werden, verschlechtert sich die Ortungslösung oder fällt ganz aus. In hydrographischen Vermessungsumgebungen ist dies kein seltener Einzelfall. Es ist eine alltägliche betriebliche Realität.

Was ist eine IMU (Inertial Measurement Unit)?

Eine Inertialmesseinheit (IMU) verfolgt einen völlig anderen Ansatz bei der Bewegungsverfolgung. Anstatt sich auf externe Signale zu verlassen, verwendet sie Beschleunigungsmesser und Gyroskope, die in den Sensor selbst eingebettet sind. Beschleunigungsmesser messen die lineare Beschleunigung entlang dreier Achsen; Gyroskope messen die Winkelgeschwindigkeit, d. h. die Rotationsrate bei Roll-, Nick- und Gierbewegungen. Zusammen ergeben sie ein Echtzeitbild davon, wie sich ein Schiff in jedem Augenblick durch den Raum bewegt.

Der Hauptvorteil einer IMU ist ihre Aktualisierungsrate. Die meisten IMUs für Vermessungszwecke arbeiten mit 100-200 Hz, also 10 bis 200 Mal schneller als ein typischer GNSS-Empfänger. Diese hochfrequente Ausgabe ermöglicht einen Bewegungsausgleich in Echtzeit für Systeme wie Fächerecholote, bei denen die Strahlgeometrie auch dann genau bleiben muss, wenn sich das Schiff in den Wellen bewegt.

Die Einschränkung einer eigenständigen IMU ist die Drift. Da sie Beschleunigung und Drehung über die Zeit integriert, um die Position zu bestimmen, summieren sich kleine Fehler. Ohne periodische Korrektur durch eine externe Referenz wandert die Positionsschätzung. Unkorrigiert akkumuliert selbst eine qualitativ hochwertige IMU im Laufe der Minuten einen erheblichen Positionsfehler.

Warum keiner von beiden allein funktioniert

GNSS ist präzise, aber anfällig. Eine IMU ist kontinuierlich, aber driftet. Das sind keine Mängel, die man umgehen kann, sondern komplementäre Schwächen, die den Grund für die GNSS-INS-Integration (auch GNSS-IMU-System oder GPS-INS genannt) darstellen.

Betrachten wir eine einfache Analogie. Ein Fahrzeug fährt in einen Tunnel ein und der GNSS-Kontakt geht verloren. Ein eigenständiges GNSS-System gibt nichts Brauchbares aus, bis das Fahrzeug auf der anderen Seite wieder auftaucht und eine Lücke in der Positionsaufzeichnung hinterlässt. Eine IMU misst jedoch weiterhin jede Bewegung im Tunnel, die Kurven, die Geschwindigkeitsänderungen, die Steigung. Sie "fährt" die Navigationslösung so lange, bis die GNSS-Signale zurückkehren und die akkumulierte Abweichung zurückgesetzt werden kann. Keines der beiden Systeme kann dies allein erreichen. Zusammen schließen sie die Lücke vollständig.

In der hydrographischen Vermessung sind diese Lücken nicht theoretisch. Sie entstehen unter Pontonbrücken auf Binnenwasserstraßen, in Flusskorridoren, die durch steiles Gelände eingeengt sind, und in Hafenumgebungen, wo Metallstrukturen die Satellitensignale streuen. Jede Lücke in der Positionsaufzeichnung ist eine potenzielle Lücke in den Tiefendaten und ein Grund, die Vermessungslinie zu wiederholen.

So funktioniert die GNSS-INS-Integration

Bei der GNSS-INS-Integration, die auch als Sensorfusion bezeichnet wird, werden die Ergebnisse beider Systeme durch einen mathematischen Filterungsprozess kombiniert. In der Praxis bedeutet dies, dass GNSS die IMU kontinuierlich korrigiert und kalibriert und so verhindert, dass sich eine Drift ansammelt. Die IMU wiederum überbrückt Lücken in der GNSS-Verfügbarkeit mit einer zuverlässigen kurzfristigen Dead-Reckoning-Lösung.

Die Ausgabe eines GNSS-INS-Systems ist nicht nur eine Positionskoordinate. Es handelt sich um einen vollständigen Navigationszustand: Position, Geschwindigkeit und vollständige Drei-Achsen-Lage (Roll, Nick und Kurs), die mit der hohen Rate der IMU aktualisiert werden. Diese kombinierte Ausgabe macht das System so wertvoll für Vermessungsanwendungen, bei denen Lagedaten für die Korrektur der Geometrie von akustischen Tiefenmessungen ebenso wichtig sind wie die Position.

Ein gut konzipiertes GNSS-INS-System liefert diese Daten kontinuierlich und in Echtzeit, auch wenn der GNSS-Empfang unterbrochen ist. Das Ergebnis ist eine nahtlose, ununterbrochene Navigationslösung, die von keinem System mit nur einer Technologie erreicht werden kann.

Die wichtigsten Vorteile der GNSS-INS-Integration

1. Kontinuierliche Positionierung ohne Signallücken

Der unmittelbarste betriebliche Vorteil der GNSS-INS-Integration ist die Beseitigung von Positionslücken. Wenn das GNSS-Signal unter einer Brücke, entlang einer Schlucht oder in einer überfüllten Hafenumgebung ausfällt, übernimmt die IMU nahtlos. Die Navigationslösung wird ohne Unterbrechung fortgesetzt, und das Vermessungsschiff kann seinen Kurs beibehalten, ohne abzubrechen oder Daten als unzuverlässig zu kennzeichnen.

Für USV-Betreiber, die in Flusskorridoren und geschützten Küstengebieten arbeiten, bedeutet dies eine direkte Kosteneinsparung. Weniger Datenlücken bedeuten weniger Wiederholungen. Vermessungseinsätze, die früher mehrere Durchgänge erforderten, um GNSS-bedingte Lücken zu schließen, können in einem einzigen Durchgang abgeschlossen werden, was die Feldzeit und die Betriebsstunden des Schiffes reduziert. Bei abgelegenen oder zeitkritischen Einsätzen, z. B. bei der Hochwasserbekämpfung, kann dieser Effizienzgewinn entscheidend sein.

2. Echtzeit-Bewegungsausgleich für exakte Tiefendaten

In offenen Gewässern steht ein Vermessungsschiff nie wirklich still. Jede Welle bringt Roll-, Nick- und Hebungsbewegungen mit sich. Für ein Fächerecholot ist diese Bewegung eine Quelle für systematische Fehler. Neigt sich der Sonarschwinger auch nur geringfügig, während ein Schwaden akustischer Strahlen ausgesendet wird, wird die Geometrie der Tiefenmessungen verfälscht. Der Meeresboden erscheint rauer als er ist. Punktwolken verschieben sich seitlich. Merkmale werden verschmiert.

Der Bewegungsausgleich korrigiert dies in Echtzeit. Die 100-200 Hz-Roll-, Nick- und Gier-Messungen der IMU werden direkt in die Verarbeitungspipeline des Echolots eingespeist, wobei die Geometrie jedes Strahls an die momentane Lage des Schiffes zum Zeitpunkt der Übertragung und des Empfangs angepasst wird. Das Ergebnis sind Tiefendaten, die den Meeresboden genau widerspiegeln, nicht den Zustand der Meeresoberfläche darüber.

Das Fächerecholot HQ-400 geht noch einen Schritt weiter und verfügt über eine werkseitig vorkalibrierte IMU, die direkt in die Sensoreinheit integriert ist. Die Kompensation von Roll-, Nick- und Gierbewegungen erfolgt auf der Sensorebene, so dass keine separate Peripherie für Kurs und Lage erforderlich ist. Für Vermessungsarbeiten in schlechten GNSS-Umgebungen unterstützt der HQ-400 auch PPK-Workflows (Post-Processed Kinematic), mit denen aus den aufgezeichneten GNSS-Rohdaten nachträglich genaue Positionslösungen berechnet werden können.

3. Präzise Wiederholungslinien-Navigation

Viele Vermessungsanwendungen erfordern, dass ein Schiff über mehrere Einsätze hinweg zu genau denselben Fahrspuren zurückkehrt. Bei der Überwachung des Baggerfortschritts werden Vorher-Nachher-Vergleiche angestellt, um das entfernte Material zu quantifizieren. Studien zum Sedimenttransport verfolgen bathymetrische Veränderungen über Wochen oder Monate. Infrastrukturinspektionen müssen jedes Mal denselben Korridor abdecken, um Veränderungen zuverlässig zu erkennen.

All diese Arbeitsabläufe hängen von einer genauen, stabilen Richtung ab, und hier ist die GNSS-INS-Integration nicht nur für die Position wichtig. Eine fusionierte GNSS-IMU-Lösung liefert eine genaue und gleichmäßige Kursschätzung, ohne die unregelmäßigen Sprünge, die auftreten können, wenn eine eigenständige GNSS-Antenne die Verbindung verliert und wiederherstellt. Der konsistente Steuerkurs wird direkt in die Navigationssteuerung des Vermessungsschiffs eingespeist und hilft diesem, selbst in turbulenten oder fließenden Gewässern präzise Kurslinien beizubehalten oder zu ihnen zurückzukehren.

Die USVs APACHE 4 und APACHE 4 Pro integrieren GNSS und IMU mit einem fortschrittlichen Navigationscontroller, der speziell dafür entwickelt wurde, die Position und den Steuerkurs auch unter schwierigen Bedingungen, einschließlich turbulenter Flussströmungen, stabil zu halten. Ohne diesen stabilen Kurs driften die Vermessungslinien ab, und abdriftende Vermessungslinien bedeuten verschwendete Wiederholungen und beeinträchtigte Analysen zur Erkennung von Veränderungen.

4. Zuverlässige Leistung in anspruchsvollen Umgebungen

Häfen, Binnenschifffahrtsstraßen und flache Küstengebiete haben eine gemeinsame Herausforderung: Die Infrastruktur, die sie definiert, beeinträchtigt auch die GNSS-Leistung. Kräne, Ladebrücken, Brückenpfeiler und Böschungsmauern tragen alle zu Mehrweg-Interferenzen bei, also zu Satellitensignalen, die die GNSS-Antenne erreichen, nachdem sie von nahe gelegenen Oberflächen abgeprallt sind, was zu Positionsfehlern führt. In einigen Hafenbecken ist die direkte Satellitensicht auf ein schmales Fenster am Himmel beschränkt.

Ein GNSS-INS-System gewährleistet auch unter diesen Bedingungen eine hohe Lösungsqualität. Selbst wenn nur wenige Satelliten zu sehen sind und der Mehrwegeffekt stark ist, unterstützt die Inertiallösung der IMU das GNSS in kurzen Phasen der Verschlechterung, indem sie störende Positionssprünge ausgleicht und die Kurskontinuität aufrechterhält. Die fusionierte Ausgabe bleibt in Umgebungen nutzbar, in denen ein eigenständiger GNSS-Empfänger unzuverlässige, sprunghafte Koordinaten liefern würde.

Der APACHE 4 Pro verfügt über ein Anti-Verhedderungsdesign, das speziell für den Einsatz in Umgebungen mit aquatischer Vegetation, flachen, verkrauteten Gewässern wie Seerändern und Feuchtgebieten geeignet ist, in denen die Erfassung mit herkömmlichen Rumpfformen schwierig ist. In Kombination mit der GNSS-INS-Navigation bietet es zuverlässige Vermessungsmöglichkeiten in Umgebungen, in denen eine Vermessung sonst unpraktisch wäre.

5. Rationalisierter Arbeitsablauf und reduzierte Nachbearbeitung

Eine integrierte GNSS-INS-Lösung verbessert nicht nur die Datenqualität vor Ort, sondern vereinfacht auch den gesamten Vermessungsablauf von der Erfassung bis zur endgültigen Lieferung. Da das System einen fusionierten, mit Zeitstempeln versehenen Navigationsstatus mit hoher Frequenz ausgibt, sind die Rohdaten, die bei der Nachverarbeitungssoftware ankommen, bereits geometrisch korrigiert und zeitlich konsistent. Es sind weniger manuelle Eingriffe erforderlich, um den Datensatz zu bereinigen, auszurichten und zu validieren.

Das HQ-400 ist ein Beispiel für diesen integrierten Ansatz. Sonar-, Wassertemperatur-, Lage-, Positionierungs- und Steuerkurssensoren sind alle in einer einzigen 2,7 kg schweren Einheit mit integrierter Rauschfilterung und optimierter Verarbeitung untergebracht. Anstatt eine Vielzahl von Sensoren verschiedener Hersteller zusammenzustellen, von denen jeder seine eigene Kalibrierung, Verkabelung und Datensynchronisation benötigt, setzen die Anwender ein einziges kompaktes Gerät ein. Sauberere Rohdaten, weniger Integrationsvariablen und ein schnellerer Weg von der Erfassung vor Ort bis zur endgültigen Ausgabe führen direkt zu niedrigeren Gesamtprojektkosten.

GNSS-INS-Integration in Aktion: Ein komplettes hydrographisches Vermessungssystem

Die Vorteile der GNSS-INS-Integration zu verstehen ist eine Sache. Zu sehen, wie sich diese Vorteile in einem kompletten, mehrschichtigen Vermessungssystem zusammensetzen, ist eine andere. Die vollständige hydrographische Vermessungslösung von CHCNAV zeigt, wie jede Komponente zur Gesamtdatenqualität und betrieblichen Effizienz beiträgt.

Schicht 1, Stabile Navigationsplattform: APACHE 4 und APACHE 4 Pro

Sowohl die APACHE 4 als auch die APACHE 4 Pro USVs integrieren GNSS und IMU mit einem fortschrittlichen Autopilot-Navigationscontroller und bieten so die stabile, genaue und wiederholbare Positionierungsgrundlage, auf die jede Vermessungsebene angewiesen ist.

Das APACHE 4 wiegt 13 kg, ist für den Einsatz durch einen einzigen Bediener konzipiert und eignet sich für eine Vielzahl von Vermessungsaufgaben: Bewertung von Hochwasserrisiken, Studien zum Sedimenttransport, Strömungsanalysen in Häfen und Abflussmessungen in Flüssen. Dank seiner kompakten Form kann er schnell von Flussufern oder kleinen Bootsrampen aus eingesetzt werden.

Der APACHE 4 Pro erweitert diese Grundlage durch eine größere Nutzlastkapazität, eine höhere bathymetrische Auflösung und ein verwicklungssicheres Design, das ihn für bewachsene Wasserstraßen geeignet macht. Die erweiterte Liste der Anwendungsfälle umfasst die Vermessung von Wasserressourcen, hydrologische Vermessungen und Rettungseinsätze, bei denen die Vermessungsgenauigkeit und die Zuverlässigkeit des Schiffes auch unter schwierigen, unvorhersehbaren Bedingungen gewährleistet sein müssen.

Schicht 2, Fächerlot Datenqualität: HQ-400

Montiert am APACHE 4 oder APACHE 4 Pro (oder einer anderen kompatiblen Vermessungsplattform) ist der HQ-400 der Ort, an dem sich die GNSS-INS-Integration direkt in der Qualität der bathymetrischen Vermessungsdaten niederschlägt. Die vorkalibrierte IMU sorgt für die Kompensation von Roll-, Nick- und Gierbewegungen direkt am Sensor, eine externe Bewegungsreferenzeinheit ist nicht erforderlich. Das Ergebnis sind geometrisch genaue Tiefendaten unabhängig von der Schiffsbewegung.

Mit 2,7 kg ist der HQ-400 kompakt genug für leichte USV-Plattformen, ohne die Nutzlastkapazität oder die Stabilität des Schiffes zu beeinträchtigen. Sein integriertes Design reduziert die Einrichtungszeit im Vergleich zu Mehrkomponenten-Sensorstapeln erheblich, und seine PPK-fähige Positionierung gewährleistet eine zuverlässige Datenqualität auch in Umgebungen mit unregelmäßiger GNSS-Abdeckung.

Typische Anwendungen sind die Topografie von Flüssen und Seen, die Vermessung von Absetzteichen, die Vermessung von Hafenterminals und die Überwachung von Kanalausbaggerungen - überall dort, wo präzise, wiederholbare Tiefendaten in Umgebungen benötigt werden, die herkömmliche Vermessungsmethoden herausfordern.

Schicht 3, erweiterte hydrologische Fähigkeit: RS3600D

Der RS3600D ist ein Zweifrequenz-ADCP (Acoustic Doppler Current Profiler), der das Messsystem um die Messung der Wasserströmung und des Abflusses erweitert. Das Gerät arbeitet sowohl mit 1200 kHz als auch mit 3600 kHz und erstellt Profile der Wassergeschwindigkeit von der Oberfläche bis zum Grund mit einer Genauigkeit von 0,25 % ± 2 mm/s und einer Auflösung von 1 mm/s.

Entscheidend ist, dass die aktuellen Daten des RS3600D mit der GNSS-INS-Navigationslösung des Host-USV positioniert werden. Die genaue Positionszuweisung für jedes Geschwindigkeitsprofil erfordert dieselbe kontinuierliche, driftkorrigierte Positionierung, die auch dem Bathymetrie-Workflow zugrunde liegt. Die GNSS-INS-Integration ermöglicht dies sogar in geschützten Flussumgebungen, in denen ADCP-Messungen am häufigsten benötigt werden.

Zu den Anwendungsfällen gehören hydrologische Messungen für die Hochwassermodellierung, die ökologische Strömungsüberwachung und die Kanalüberwachung für die Bewirtschaftung von Wasserressourcen - Anwendungen, bei denen sowohl Tiefen- als auch Strömungsdaten von derselben Plattform in einem einzigen Einsatz benötigt werden.

Schlussfolgerung: Warum die GNSS-INS-Integration von grundlegender Bedeutung ist

Die GNSS-INS-Integration löst die zentrale Herausforderung der maritimen und hydrografischen Vermessung: die kontinuierliche, genaue und bewegungskompensierte Positionierung in Umgebungen, in denen eine der beiden Technologien allein nicht ausreicht. Signallücken, die früher zu Datenlücken führten, werden überbrückt. Wellenbewegungen, die Tiefenmessungen verfälschen würden, werden kompensiert. Vermessungslinien, die ohne stabilen Kurs abdriften würden, halten ihren Kurs. Daten, die umfangreiche Nachbearbeitungskorrekturen erfordern würden, werden sauber erfasst.

Ganz gleich, ob es sich um eine stabile USV-Navigation auf einem turbulenten Binnengewässer, um saubere Fächerlotdaten von einem kompakten Echolot oder um eine vollständige hydrologische Profilerstellung mit Tiefen- und Strömungsmessung handelt, die GNSS-INS-Integration ist die Technologie, die dies zuverlässig und wiederholbar macht. Sie ist keine optionale Erweiterung, sondern die Grundlage für eine genaue hydrographische Vermessung.

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Über CHC Navigation

CHC Navigation (CHCNAV) entwickelt fortschrittliche Kartierungs-, Navigations- und Positionierungslösungen, die die Produktivität und Effizienz steigern. CHCNAV liefert innovative Technologien für Branchen wie Geodäsie, Landwirtschaft, Bauwesen und Autonomie, die Fachleute unterstützen und den Fortschritt in der Industrie vorantreiben. Mit einer weltweiten Präsenz in über 140 Ländern und einem Team von mehr als 2.000 Fachleuten ist CHC Navigation als führend in der Geospatial-Industrie und darüber hinaus anerkannt. Weitere Informationen finden Sie unter www.chcnav.com.