Zur Sensordatenfusion für integrierte Navigationssysteme unbemannter Kleinstflugzeuge

Die vorliegende Arbeit behandelt die Sensordatenfusion, wie sie für integrierte Navigationssysteme von automatisch fliegenden Kleinstflugzeugen geeignet ist. Nachdem der automatische Flug solcher Fluggeräte vielfach gelungen ist, stehen jetzt Verbesserungen ihrer Flugleistungen und -eigenschaften im automatischen Modus und eine bessere Bedienung der Anforderungen von Anwendem im Vordergrund. Die zuverlässige und hochfrequente Bestimmung der Lage ist dabei vielfach eine Notwendigkeit. Die Beobachtung der Lage mit einem aus Inertialsensoren und einem SateJlitennavigationsempfänger bestehenden integrierten Navigationssystem hat sich dazu als am geeignetsten herausgestellt.

In dieser Arbeit soll theoretisch und experimentell untersucht werden, wie und in welcher Güte die Lagebestimmung mittels Sensordatenfusion von low-cost Satelliten und Inertialnavigationssystem in Kleinstflugzeugen realisiert werden kann. Zunächst wird das Prinzip der integrierten Navigation am Beispiel der Koppelnavigation mit Stützung vorgestellt und auf modeme Systeme der Luftfahrttechnik übertragen. Dazu wird das KaIman Filter zur Sensordatenfusion analysiert, Methoden zur Beurteilung der Beobachtbarkeit dargelegt und Empfehlungen für die praktische Umsetzung gegeben. Nach einer Vorstellung des Prinzips und der Eigenschaften von Inertialnavigationssystemen, wird sich auf die Funktionsweise und das Fehlerverhalten von low-cost Inertialsensoren fokussiert. Ein geeignetes Kalibrationsmodell wird hergeleitet und mit Flugversuchsdaten validiert. Das Funktionsprinzip von Satellitennavigationssystemen wird am Beispiel des Global Positioning System (GPS) erläutert und die Messgrößen abgeleitet. Anschließend werden verschiedene Sensordatenfusionsarchitekturen zur Integration von Satelliten- und Inertialnavigation vorgestellt, beurteilt und die für Kleinstflugzeuge geeignetste ausgewählt. Es folgt die Herleitung der Fehlermodelle der beiden Navigationssysteme zur Formulierung eines Navigationsfilters. Eine Analyse zeigt die dynamikabhängige Beobachtbarkeit einzelner Zustandsgrößen des Filters und die nur als Linearkombination beobachtbaren Lagewinkel- und Beschleunigungsmesserfehler auf. Abschließend werden Navigationsergebnisse aus Fahr- und Flugversuchen diskutiert und Empfehlungen für den Aufbau von integrierten low-cost Navigationssytemen ausgesprochen.