Bewegungsreferenzsysteme (Motion Reference Units, MRU) sind präzise Trägheitsmesssysteme, die die Bewegung von Schiffen oder Plattformen erfassen, darunter in der Regel Rollbewegung, Nickbewegung, Hebebewegung, Winkelgeschwindigkeit und Beschleunigung. Diese Sensoren kommen auf Marineschiffen, unbemannten Plattformen, stabilisierten Nutzlasten, Unterwassersystemen und Vermessungsgeräten zum Einsatz.
Auf dieser Seite werden führende MRU-Hersteller vorgestellt, deren Produkte in den Bereichen Navigation, dynamische Positionierung, Radar- und EO/IR-Stabilisierung, aktive Hubausgleichung sowie Start- und Bergungsvorgänge zum Einsatz kommen.
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Taktische IMU-, GPS/INS- und Waffenausrichtungslösungen
Hochpräzise MEMS-, Quarz- und FOG-Trägheitssensorsysteme für Militär-, Luftfahrt- und Verteidigungsanwendungen
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Eine Bewegungsreferenz-Einheit (MRU) ist ein präzises Trägheitsmesssystem, das zur Messung und Schätzung der Bewegung und Ausrichtung eines Schiffes, eines Fahrzeugs oder einer stabilisierten Plattform eingesetzt wird. In Marine- und Verteidigungsanwendungen liefern MRUs in der Regel Daten zu Roll-, Nick- und Hubbewegung, Winkelgeschwindigkeit sowie Beschleunigung, wobei einige Systeme auch Ausgabewerte zu Kurs, Geschwindigkeit oder Position bereitstellen. Diese Daten ermöglichen es Navigationsgeräten, Sensoren, Waffen, Antennen und Missionsnutzlasten, die Bewegungen der Plattform in Echtzeit auszugleichen.
Moderne MRUs können GNSS-Unterstützung (Global Navigation Satellite System), Kurssensoren, Hebelarmkompensation und Sensorfusion integrieren. Eine MRU unterscheidet sich in ihrer Hauptfunktion von einer Trägheitsmesseinheit (IMU), einem Trägheitsnavigationssystem (INS) oder einem Lage- und Kursreferenzsystem (AHRS) durch ihre primäre Funktion: Eine IMU misst Beschleunigung und Winkelgeschwindigkeit, ein AHRS schätzt Lage und Kurs, und ein INS schätzt Navigationszustände wie Position und Geschwindigkeit.
MRU-E Motion Reference Unit von Inertial Labs, einem Unternehmen der VIAVI Solutions-Gruppe
Bewegungsreferenzgeräte auf Basis mikroelektromechanischer Systeme (MEMS) nutzen kompakte Beschleunigungsmesser und Gyroskope zur Erfassung linearer und Winkelbewegungen. Dank ihrer geringen Größe, ihres geringen Gewichts und ihres niedrigen Stromverbrauchs eignen sie sich für Überwasserschiffe, unbemannte Plattformen, tragbare Systeme, stabilisierte Nutzlasten und Installationen mit begrenztem Platzangebot. Die Leistung hängt von der Sensorqualität, der Kalibrierung, der thermischen Kompensation, der Vibrationsfestigkeit, der Filterung, der Vorspannung und dem Rauschen ab.
Faseroptische Gyroskop-Systeme (FOG) messen die Winkelrotation unter Ausnutzung des Sagnac-Effekts ohne mechanisch rotierenden Rotor. FOG-basierte MRUs bieten eine hohe Winkelstabilität und geringe Drift, wodurch sie sich für Anwendungen eignen, bei denen die Leistung von Navigations-, Vermessungs-, Stabilisierungs- oder Waffensystemen eine höhere Genauigkeit der Bewegungsreferenz oder eine längere Eigenstabilität erfordert.
Ein GNSS-gestütztes MRU-System kombiniert Trägheitsmessungen mit Satellitennavigationsdaten, um längerfristige Fehler einzugrenzen und Kurs-, Geschwindigkeits- oder Positionsschätzungen zu verbessern. GNSS-Systeme mit mehreren Antennen können den tatsächlichen Kurs liefern, ohne auf das Erdmagnetfeld angewiesen zu sein. Die Leistung hängt von der Antennengeometrie, der Satellitensichtbarkeit, Störungen, der Installationsqualität sowie dem Trägheitsverhalten ab, wenn das GNSS beeinträchtigt, gestört, manipuliert oder nicht verfügbar ist.
Eine Unterwasser-MRU vereint Inertialsensoren und Auswerteelektronik in einem Gehäuse, das für den Betrieb in der Tiefe ausgelegt ist. Diese Geräte können ferngesteuerte Unterwasserfahrzeuge (ROVs), autonome Unterwasserfahrzeuge (AUVs), Unterwasservermessungsgeräte, Sonarsysteme und andere Nutzlasten unterstützen. Bei der Auswahl müssen zudem Druckfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Steckverbinder, Befestigungssteifigkeit, Temperatur, Stromversorgung und Datenschnittstellen berücksichtigt werden.
MRUs liefern Informationen über die Lage und Bewegung des Schiffes an Navigations-, Steuerungs- und dynamische Positionierungssysteme (DP). Messungen von Roll-, Nick- und Hebebewegungen sowie Drehgeschwindigkeiten helfen den Steuerungssystemen, die Eigenbewegungen der Plattform von den vorgegebenen Bewegungen zu unterscheiden, während die Integration mit GNSS, Kurssensoren, Doppler-Geschwindigkeitsmessern (DVLs) oder anderen Navigationsquellen die Gesamtlösung verbessern kann. Geringe Latenzzeiten und eine genaue Zeitsynchronisation sind in Echtzeit-Regelkreisen besonders wichtig.
Schiffsbewegungen können die Ausrichtungsrichtung von Radarantennen, Kommunikationsterminals und elektrooptischen/Infrarot-Nutzlasten (EO/IR) rasch verändern. Ein MRU-Sensor dient als Referenz zur Kompensation der Plattformdynamik. Aktualisierungsrate, Latenz, Ausrichtung der Halterung, Definition des Koordinatensystems und Zeitsynchronisation sind von entscheidender Bedeutung, da sich Fehler direkt in Ausrichtungsfehler niederschlagen können.
Marinewaffen- und Feuerleitsysteme benötigen unter Umständen präzise Daten zur Plattformlage und zur Winkelbewegung, um Ausrichtungs- oder Gefechtslösungen zu berechnen. MRU-Daten können zu stabilisierten Referenzrahmen beitragen, die von Feuerleitstellen, Sensoren und Missionsausrüstung genutzt werden. Die Leistungsfähigkeit sollte im Rahmen des gesamten Fehlerbudgets bewertet werden, einschließlich Ausrichtung, struktureller Verformung, Zeitsteuerung, Navigationsdaten sowie der damit verbundenen Sensor- oder Aktuator-Eigenschaften.
M5000 Unterwasser-INS/MRU von Micro Magic
Sonar-, hydrografische Vermessungs- und bathymetrische Kartierungssysteme können sehr empfindlich auf Schiffsbewegungen reagieren. Roll- und Nickbewegungen verändern die Ausrichtung des akustischen Strahls, während Hubbewegungen die Höhe des Wandlers verändern. Eine Marine Motion Reference Unit ermöglicht es Verarbeitungssystemen, Beobachtungen um Schiffsbewegungen zu kompensieren. Die Vermessungsleistung hängt zudem von der Zeitmessung, Sensorversätzen, Hebelarmen, der Schallgeschwindigkeit, der Positionsgenauigkeit und der Kalibrierung ab. Eine verzögerte oder nachbearbeitete Hubkompensation kann die Ergebnisse verbessern, wenn keine strikte Echtzeitausgabe erforderlich ist.
Aktive Heave-Kompensationssysteme nutzen Schätzungen der Schiffsbewegung, um vertikale Bewegungen zu reduzieren, die auf Lasten übertragen werden, die von Kränen, Winden und Unterwasser-Ausbringungsgeräten gehandhabt werden. Eine MRU kann Echtzeitdaten zu Heave und vertikaler Beschleunigung liefern. Die Sensorposition und Hebelarmeffekte sind von Bedeutung, da sich die Bewegung an der MRU von der Bewegung an der Kranspitze, am Moonpool, am Abwurfpunkt oder an der hängenden Nutzlast unterscheiden kann.
Bewegungsdaten können das Zuwasserlassen und die Bergung von Booten, unbemannten Systemen, Unterwasserausrüstung und Flugzeugen unterstützen. Auf flugtauglichen Schiffen kann die Bewegungsüberwachung Roll-, Nick- und Hebebewegungen des Decks sowie die dazugehörigen Geschwindigkeiten zur Betriebsbewertung liefern. Die MRU sollte die Bewegung am jeweiligen Umschlag- oder Landeort abbilden, wobei bei Installation an einem anderen Ort Koordinatentransformation und Hebelarmkompensation zum Einsatz kommen sollten.
Die für eine MRU geltenden Normen hängen von der Plattform, der Funktion, der Installation, den Beschaffungsspezifikationen und den Qualifikationsanforderungen ab. Zu den gängigen Referenzen gehören:
Die Eignungsprüfung sollte anhand des jeweiligen Marine- oder Verteidigungsprogramms erfolgen, anstatt davon auszugehen, dass jede MRU dasselbe Prüfverfahren erfordert.
Die Entwicklung von MRUs konzentriert sich zunehmend auf die Verbesserung der Bewegungsgenauigkeit, der Robustheit und der Integrationsfähigkeit bei gleichzeitiger Reduzierung von Größe, Gewicht und Leistungsaufnahme. Wichtige Bereiche sind:
Diese Entwicklungen stärken die Bedeutung der Bewegungsreferenztechnologie für ausfallsichere Navigation, Präzisionsstabilisierung, autonome maritime Operationen und integrierte Marine-Einsatzsysteme.
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