Bij bewegende platforms zoals auto’s en drones worden de positie en oriëntering van de sensors bepaald met GNSS en IMU respectievelijk. In dit artikel leggen we uit hoe deze technieken werken.
Bij bewegende platforms zoals auto’s en drones worden de positie en oriëntering van de sensors bepaald met GNSS en IMU respectievelijk. GNSS (Global Navigation Satellite System) is een verzamelnaam voor positiebepaling met satellieten. Een IMU (Inertial Measurment Unit) opereert zonder signalen van buitenaf en wordt vooral gebruikt voor het bepalen van de oriëntering van de sensors.
Meetprincipe
De oudste en meest bekende GNSS is het Amerikaanse GPS. Daarnaast zijn operationeel het Russische GLONASS, het Europese Galileo en het Chinese BeiDou. Wanneer de posities van drie satellieten bekend zijn alsook de afstanden ernaar toe dan zijn de coördinaten van de positie van de GNSS-ontvanger door insnijding te berekenen (Figuur 1). In principe, maar de werkelijkheid is weerbarstig. De afstanden worden niet direct gemeten maar berekend uit de looptijd van de uitgezonden GNSS-satellietsignalen: afstand = looptijd x lichtsnelheid. Het moment van uitzenden wordt nauwkeurig vastgelegd door stabiele, gesynchroniseerde atoomklokken aan boord van de satellieten. Het is ondoenlijk om ook in GNSS-ontvangers extreem dure atoomklok te plaatsen. Niet alleen de 3 coördinaten zijn daarmee onbekenden maar ook de klokfout van de GNSS-ontvanger. De correctie wordt berekend met het signaal van een vierde satelliet.
Figuur 1 - Principe van GNSS-positiebepaling met aangegeven enkele verstoringen, waaronder het blokkeren van GNSS-signalen door obstakels zoals gebouwen. T is de correctie voor de klokfout.
GNSS-constellatie
Het aantal GNSS-satellieten varieert per constellatie en schommelt tussen 22 en 35. Zij cirkelen in drie (GLONASS) of zes (overige constellaties) uitgekiende banen om de aarde voor een optimale dekking. De meeste GNSS-ontvangers verwerken signalen van meerdere constellaties, wat sterk bijdraagt aan precisie, betrouwbaarheid en bedrijfszekerheid. De signalen hebben meerdere golflengten en om al die signalen te ontvangen zijn honderden kanalen in de GNSS-ontvanger nodig. De satellieten worden vanaf grondstations permanent gevolgd voor het bepalen van hun positie, minieme afwijkingen van de atoomklok, etc. GNSS-signalen bestaan uit een draaggolf met daarop codes die informatie bevatten over de positie van de satelliet, tijdstip van uitzending, etc. Zonder verdere voorzieningen is de precisie van codemetingen enkele tientallen meters. Voor veel toepassingen is dat onvoldoende.
Verhoging van GNSS-nauwkeurigheid
GNSS is afhankelijk van signalen van buitenaf en is daarmee gevoelig voor verstoringen. Zo beïnvloedt de atmosfeer de looptijd. De verstoringen zijn niet constant omdat de atmosfeer lokaal voortdurend van samenstelling verandert. De verstoringen door de onderste laag van de atmosfeer – troposfeer – kunnen gecompenseerd worden door signalen van verschillende golflengten te gebruiken: dual frequency. De verstoringen van de bovenste laag – ionosfeer – kunnen gecompenseerd worden door plaatsing van een GNSS-ontvanger op een bekend punt (base station). Het verschil tussen de gemeten positie en bekende positie wordt gebruikt voor het berekenen van de correctie (Figuur 2). Met deze techniek – differential GNSS (DGNSS) – kunnen ook andere verstoringen worden gecompenseerd. Overheden en bedrijven hebben (landelijke) netwerken van zulke basisstations gemaakt die correcties leveren aan abonnementhouders.
Figuur 2- Principe van Differential GNSS (DGNSS), waarbij één of meerdere basisstations worden gebruikt om te corrigeren voor atmosferische verstoringen.
PDOP
Voorkomen is beter dan genezen. De signalen van satellieten die laag aan de horizon staan maken een lange weg door de atmosfeer en zijn daardoor zeer vatbaar voor verstoringen. Satellieten die lager dan 15o boven de horizon staan zijn daarom niet bruikbaar. Als de satellieten op een kluitje staan, ook al zijn het er een dozijn, is de precisie slecht. Om de gebruiker te ondersteunen wordt het gecombineerde effect van de satellietgeometrie en het aantal bruikbare satellieten op de precisie samengebald tot één getal: PDOP (Position Dilution of Precision). Landmeetkundige precisie vereist PDOP-waardes tussen één en drie.
Niet alleen de atmosfeer maar ook de reflectie-eigenschappen van objecten op het aardoppervlak veroorzaken verstoringen. Een bron van fouten is meervoudige reflectie (multipath) waar ook laserscanning last van heeft (zie ook: Kwaliteitsaspecten van Laserscannen). Hetzelfde GNSS-signaal bereikt de ontvanger twee keer of vaker via meerder paden wat leidt tot onnauwkeurigheden bij de berekening van de X,Y,Z-coördinaten. Dit geldt vooral voor stationaire ontvangers in steden met veel reflecterende oppervlakken (Figuur 3). Mobiele platforms hebben minder last van multipath.
Figuur 3 - Door meervoudige reflectie komt een GNSS-signaal via meervoudige paden (multipath) de ontvanger binnen.
GNSS-fasemetingen
Een bijzonder slimme oplossing om de nauwkeurigheid te verhogen is om niet alleen de codes te gebruiken maar ook de draaggolf. De golflengten van de draaggolven liggen tussen twee en drie decimeter. De fase van de draaggolf kan op de millimeter nauwkeurig worden gemeten. Dat wil niet zeggen dat X,Y,Z-coördinaten met millimeter-precisie kunnen worden berekend. Dat komt door de bovengenoemde verstoringen. Om cm-precisie te krijgen moet met een hoogwaardige GNSS-ontvanger enkele minuten tot zelfs enkele uren op hetzelfde punt worden gemeten. Bij mobiele platforms is dat niet mogelijk. Daarom zijn voor precisieprojecten altijd paspunten nodig.
IMU
Een IMU is nodig om de oriëntering van de sensor in de ruimte te bepalen. Dit systeem opereert autonoom en is daarmee ongevoelig voor verstoringen van buitenaf. Drie gyroscopen handhaven de stand in de ruimte, welke bewegingen het platform ook maakt (Figuur 4). Hierdoor kunnen de drie hoeken van de oriëntering worden gemeten. Ook de positie kan bepaald worden met de drie orthogonaal geplaatste versnellingsmeters. Eénmaal integreren over de tijd levert de snelheid, en tweemaal een afstand. Als de beginpositie bekend is kan uit de afstanden en de gyroscoophoeken de positie worden bepaald. De drift van de versnellingsmeters is groot zodat al binnen enkele seconden tot minuten de positie niet meer aan de precisie-eisen voldoet. Miniaturisering maakt het mogelijk om de bewegende onderdelen van een IMU zo klein te maken dat hij past in de palm van een hand of zelfs tussen duim en wijsvinger.
Figuur 4 - Componenten van een IMU
GNSS/IMU-integratie
Een gouden regel bij precisiemetingen is om meer te meten dan strikt nodig is om coördinaten te berekenen. Redundante metingen verhogen de precisie en kunnen fouten, zoals multipath, opsporen. Het aantal GNSS-metingen is ongeveer tien per seconde, terwijl IMU honderden metingen per second uitvoert. De positie tussen twee gemeten GNSS posities kan worden bepaald door interpolatie. Wanneer een platform voortbeweegt met 50 km/u dan liggen twee gemeten GNSS-posities 1,4 m uit elkaar. Om de tussenliggende posities nauwkeurig te bepalen kan de IMU ingezet worden, want de drift binnen een tiende seconde is verwaarloosbaar.
Wanneer een mobiel platform door bos of stad met hoge bebouwing rijdt kunnen GNSS-signalen kortstondig geblokkeerd worden. GNSS/IMU-integratie maakt het mogelijk om zulke blokkades te omzeilen door IMU-posities als achtervang te gebruiken. GNSS en IMU worden vaak tot één Positie- en Oriënteringssysteem (POS) samengevoegd waarbij de metingen via software worden gecombineerd.
