Hi zusammen
Vor längerer Zeit habe ich in einem anderen Zusammenhang das IRS beschrieben. Vielleich kann die Beschreibung auch jetzt einen Beitrag zum besseren Verständnis der recht komplexen Technik beitragen.
Das Prinzip der (Strapdown) Trägheitsnavigation mit Lasergyros
Strapdown: Fest mit Flugzeug verbunden, im Gegensatz zur kardanisch gelagerten stabilen Plattform mechanischer Gyros.
Mit Trägheitsnavigation bezeichnet man einen Prozess der die Position eines Flugzeuges, ausgehend von einer bezüglich Erdoberfläche bekannten Lage, Richtung, Geschwindigkeit und eines definierten Ortes mittels internen Trägheitssensoren und Gyros bestimmt. Dabei geht man bei der Orientierung/Ausrichtung (Alignment) des Systems von der Geschwindigkeit Null aus – das Flugzeug soll bekanntlich während der Systemorientierung nicht bewegt werden.
Weil das Flugzeug im dreidimensionalen Raum gleichzeitig in allen drei Achsen beschleunigen und rotieren kann, werden für die drei Achsen je ein Gyros und ein Beschleunigungsmesser benötigt.
Das Trägheitsnavigationssystem IRS (Inertial Refernce System) umfasst zwei Komponenten, die IRU (Inertial Refernce Unit) und die MSU (Mode Select Unit).
Lasergyros liefern die Informationen die zur rein mathematischen Bestimmung der stabilen Plattform notwendig sind an Mikroprozessoren. Die mathematische Ausrichtung der Plattform bezüglich Eroberfläche kommt dabei ohne mechanische Elemente aus, ist also frei von Reibverlusten. Sie ist deshalb präziser als die Plattform mechanischer Gyros.
Die Beschleunigungssensoren produzieren einen zur Beschleunigung in der betreffenden Achse proportionalen Output. Der Prozessor multipliziert diese Signale in unendlich kleinen Zeitabschnitten (die Beschleunigungen sind ja in der Regel nicht konstant) mit der Zeit, summiert die Teilresultate und berechnet so die Geschwindigkeitsänderung bezüglich der entsprechenden Achse. Multipliziert und summiert der Prozessor die Geschwindigkeit nochmals mit der Zeit - ebenfalls in unendlich kleinen Zeitabschnitten, so ist das Resultat ein Mass für den in der Achsrichtung zurückgelegten Weg. Schlussendlich fügt der Prozessor die Resultate für Geschwindigkeit und Weg in den drei Achsen zusammen und erhält so die absolute Änderung der Geschwindigkeit und des Weges im Raum. Das Resultat macht aber nur Sinn wenn auch die Beziehung der drei Achsen zur Erdoberfläche bekannt ist. Diese Beziehung wird über die bereits erwähnten drei Gyros hergestellt. Diese liefern dem Prozessor die Winkeländerungen pro Zeiteinheit in bezug auf Pitch, Roll und Heading. Damit ist der Prozessor in der Lage die gemessenen Beschleunigungen in erdbezogene Beschleunigungen umzumünzen.
Die Präzision des Systems verlangt aber vom Prozessor zusätzlich Korrekturen bezüglich Erdanziehung, Erdrotation und der sphärischen Erdform.
Erdanziehung
Die Vertikalgeschwindigkeit und die Höhe werden wie oben beschrieben berechnet. Nun kann aber ein Beschleunigungsmesser die Beschleunigung in vertikaler Richtung nicht von der ebenfalls in dieser Richtung wirkenden Erdbeschleunigung unterscheiden. Jeder nicht exakt parallel zur Erdoberfläche messende Beschleunigungsmesser wird folglich immer auch durch die Erdbeschleunigung beeinflusst. Der IRS Prozessor muss daher von der gemäss Beschreibung gemessenen Beschleunigung immer den Anteil der an dieser Stelle wirkenden Erdbeschleunigung subtrahieren.
Erdrotation
Die Erde dreht bekanntlich in 24 Stunden einmal von West nach Ost um eine eigene Achse und einmal im Jahr um die Sonne. Die Summe dieser Rotationen entspricht einer Winkeländerung von 15° pro Stunde. Der Prozessor subtrahiert von jedem in West Ost wirkenden Gyros den entsprechenden Betrag des Rotationseffektes.
Sphärische Erdform
Der Einfluss der sphärischen Erdform ist ähnlich dem Einfluss der Erdrotation. Wenn ein Flugzeug in einer vorgegebenen Höhe über die Erdoberfläche fliegt beschreibt es natürlich auch einen der Erkrümmung entsprechenden Bogen. Der in der Pitchachse wirkende Gyros misst folglich immer auch ein der Krümmung entsprechender Rotationsanteil. Dieser Anteil hat natürlich nichts mit der Pitchänderung bezüglich Erdoberfläche zu tun und muss deshalb durch den Prozessor subtrahiert werden.
Zusammenfassung
Das IRS liefert zunächst ausgehend von einer klar definierten Ausgangslage und der gemessenen Beschleunigungen und Winkeländerungen pro Zeiteinheit die aktuellen Geschwindigkeiten GS und V/S (Groundspeed und Vertikalspeed) und die tatsächliche Position (Ist-Position) des Flugzeuges bezüglich Erdoberfläche.
Stärke und Richtung des Windes werden durch permanenten Vergleich des GS mit der TAS einerseits und der Ist-Position mit der theoretischen Position aus Heading, TAS und Zeit berechnet. Daraus abgeleitet bestimmt das System auch permanent Vorhaltewinkel um bei Wind exakt auf einem vorgegebenen Track zu bleiben. Bekanntlich ist die TAS eine Funktion der IAS und des aktuellen Luftdruckes entsprechend Höhe und der Temperatur.
Gruss Herbert
|