Laser-Geschwindigkeitssensoren (LVS) sind optische Navigationssensoren, die die Geschwindigkeit eines Fahrzeugs relativ zum Gelände oder zu einer anderen stationären Oberfläche messen, wobei üblicherweise die Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmessung zum Einsatz kommt. In Navigationssystemen für Verteidigungszwecke können LVS-Messungen unabhängige Geschwindigkeitsaktualisierungen liefern, um ein Trägheitsnavigationssystem (INS) zu unterstützen, die Trägheitsdrift zu begrenzen und die Koppelnavigation zu unterstützen, wenn GNSS nicht verfügbar oder unzuverlässig ist.
Diese Seite befasst sich mit Laser-Geschwindigkeitssensoren und Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmessern für Flugzeuge, Drehflügler, UAVs, Bodenfahrzeuge und autonome Plattformen.
Lesen Sie den Technologieübersicht
Fortschrittliche Trägheitsnavigationssysteme (INS) für zuverlässige Navigation in anspruchsvollen Einsatzumgebungen
Robuste bemannte und unbemannte Navigationslösungen für Umgebungen ohne GNSS-Empfang
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Ein Laser-Geschwindigkeitssensor (LVS) ist ein Navigationssensor, der mithilfe optischer Messungen die Geschwindigkeit eines Fahrzeugs relativ zum Boden oder einer anderen stationären Oberfläche ermittelt. Viele Systeme nutzen die Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmessung, bei der die Frequenzverschiebung von reflektiertem oder rückgestreutem Laserlicht gemessen wird, um die Relativbewegung zu berechnen, ohne auf einen mechanischen Kontakt mit der Oberfläche angewiesen zu sein.
Für die Navigation im Verteidigungsbereich ist diese Form der Geschwindigkeitsmessung besonders nützlich als Ergänzung zu einem Trägheitsnavigationssystem (INS). Ein Laser-Doppler-Geschwindigkeitssensor kann einem Navigationsfilter regelmäßig Geschwindigkeitsmesswerte liefern und so dazu beitragen, Fehler zu begrenzen, die sich ansammeln, wenn ein INS ohne zuverlässige Satellitenortung arbeitet.
Chimera Land, ein berührungsloser Laser-Geschwindigkeitssensor von Advanced Navigation
Ein Laser-Geschwindigkeitsmesser ermittelt die Bewegung relativ zu der Oberfläche, die von seinen optischen Strahlen erfasst wird. Im Gegensatz zu Fluggeschwindigkeitssensoren, die die Bewegung relativ zu einer Luftmasse messen, kann die bodenbezogene Laser-Geschwindigkeitsmessung Informationen über die Bewegung der Plattform relativ zum Gelände liefern. Dieser Unterschied ist wichtig für eine genaue Kursberechnung und die Schätzung der Fahrzeugbewegung.
Ein INS berechnet die Bewegung anhand von Messwerten aus Beschleunigungssensoren und Gyroskopen, doch kleine Fehler der Trägheitssensoren summieren sich im Laufe der Zeit. Ein Laser-Geschwindigkeitssensor kann eine unabhängige Geschwindigkeitsaktualisierung liefern, die der Navigationsfilter nutzt, um diese Fehler einzugrenzen und – je nach Systemarchitektur – die Schätzungen anderer Navigationszustände zu verbessern. Das Ergebnis ist eine komplementäre Architektur, in der das INS für eine kontinuierliche Navigation sorgt, während das LVS externe Bewegungsbeobachtungen liefert.
Die Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmessung ist nicht auf den Empfang von Satellitennavigationssignalen angewiesen. Ein Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmesser kann daher weiterhin Geschwindigkeitsmessungen liefern, wenn GNSS nicht verfügbar, gestört oder anderweitig unzuverlässig ist, vorausgesetzt, der Sensor erhält eine verwertbare optische Rückmeldung vom Boden oder einer anderen stationären Oberfläche. Dies macht die LVS-Technologie für robuste Navigationsarchitekturen relevant.
Bei der Kursschätzung wird die sich ändernde Position einer Plattform anhand ihrer vorherigen Position und der gemessenen Bewegung geschätzt. Ein alleiniges Trägheitsnavigationssystem entwickelt nach und nach Geschwindigkeits- und Positionsfehler, während regelmäßige Geschwindigkeitsmessungen dazu beitragen können, dieses Wachstum einzudämmen. Ein LVS liefert normalerweise keine absolute geografische Position, doch genaue, bodenbezogene Geschwindigkeitsmessungen können die Qualität der daraus resultierenden Dead-Reckoning-Lösung verbessern.
Moderne Navigationssysteme kombinieren üblicherweise Messungen mehrerer sich ergänzender Sensoren. Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmesser können Geschwindigkeitsaktualisierungen neben Daten von Trägheitssensoren, GNSS-Empfängern, Radar, Kameras, Radauslesern oder anderen Hilfsquellen liefern. Der Navigationsfilter kann dann die verfügbaren Messungen auswerten und die aktuelle Bewegung sowie den Navigationszustand der Plattform abschätzen.
Geschwindigkeitsfehler führen letztendlich zu Positionsfehlern, da eine falsche Geschwindigkeitsschätzung über die Zeit integriert wird. Durch die Korrektur oder Einschränkung der Geschwindigkeit innerhalb eines INS kann ein Laser-Geschwindigkeitssensor die Geschwindigkeit verringern, mit der sich Positionsfehler entwickeln. Die Gesamtleistung hängt weiterhin von der Qualität des INS, der Sensorausrichtung, der Zeitmessung, den Navigationsalgorithmen, der Fahrzeugdynamik sowie der Verfügbarkeit und Genauigkeit gültiger optischer Messungen ab.
Tief fliegende Militärflugzeuge können bodenrelative Geschwindigkeitsmessungen als zusätzliche Navigationsinformation nutzen, sofern sich das Gelände innerhalb des Betriebsbereichs des Sensors befindet. Ein Laser-Doppler-Geschwindigkeitssensor kann ein bordseitiges INS ergänzen, ohne auf Radkontakt oder Satellitensignale angewiesen zu sein, wobei jedoch die Einbaulage, die Flughöhe, die Fluglage, die atmosphärischen Bedingungen und die Oberflächenreflexe die Verfügbarkeit der Messdaten beeinflussen.
Drehflügler werden in verschiedenen Flugmodi eingesetzt, darunter Vorwärtsflug, Manöver bei niedriger Geschwindigkeit, Schwebeflug und Landung. Informationen zur bodenrelativen Geschwindigkeit können die Navigation während dieser Übergänge unterstützen, insbesondere wenn herkömmliche Satellitenunterstützung unterbrochen ist. Bei der Integration müssen Plattformvibrationen, sich ändernde Fluglage, Einbaulage, rotorbedingte Störungen sowie die optische Sichtlinie des Sensors berücksichtigt werden.
Unbemannte Luftfahrzeuge (UAVs) benötigen zuverlässige Zustandsschätzungen für die Flugführung und Flugsteuerung. Ein LVS kann unabhängige Geschwindigkeitsmessungen in den Navigationsstapel einbringen und so den autonomen Betrieb unterstützen, wenn GNSS-Daten nur sporadisch oder gar nicht verfügbar sind. Der Sensor wird in der Regel als Teil einer Multisensor-Architektur und nicht als eigenständige Positionierungslösung eingesetzt.
SurePath Ground-V von Psionic
Militärfahrzeuge mit Rädern oder Ketten können mithilfe der Laser-Geschwindigkeitsmessung die Bewegung relativ zum Gelände erfassen, ohne die Geschwindigkeit ausschließlich aus der Rad- oder Kettenrotation abzuleiten. Dies kann von großem Nutzen sein, wenn Radschlupf, Kettenschlupf, Reifenverformung oder sich ändernde Bodenbedingungen die Zuverlässigkeit herkömmlicher Odometrie beeinträchtigen.
Unbemannte Bodenfahrzeuge sind für die Wegverfolgung, Lokalisierung und Autonomie auf eine genaue Bewegungsschätzung angewiesen. Ein Laser-Geschwindigkeitssensor kann eine zusätzliche Geschwindigkeitsreferenz liefern, die unabhängig von Radauswertgebern und GNSS ist. Die Fusion dieser Informationen mit einem INS, Wahrnehmungssensoren und anderen Navigationshilfen kann die Kontinuität unter wechselnden Betriebsbedingungen verbessern.
Informationen zur bodenrelativen Geschwindigkeit können zur Navigation während des Anflugs, des Sinkflugs und der Landung beitragen. Mehrachsige Messungen sind besonders relevant, wenn ein Flugsteuerungs- oder Navigationssystem die Vorwärts-, Seiten- und Vertikalbewegung relativ zur Oberfläche abschätzen muss. LVS-Messungen ergänzen die für eine vollständige Lande-Lösung erforderlichen Informationen zu Höhe, Lage, Position und Hindernissen, ersetzen diese jedoch nicht.
Eine einzelne Doppler-Messung liefert die Komponente der Relativgeschwindigkeit entlang ihrer optischen Sichtlinie. Sensorkonfigurationen können eine oder mehrere solcher Messungen nutzen, um die Geschwindigkeit entlang einer bestimmten Fahrzeug- oder Navigationsachse zu bestimmen. Zusätzliche Messachsen oder Sensoren sind erforderlich, wenn die Plattformbewegung umfassender erfasst werden muss.
Mehrachsige Systeme kombinieren Messungen entlang verschiedener optischer Richtungen, um ein umfassenderes Bild der Plattformbewegung zu erhalten. Die einzelnen Messwerte können in das Fahrzeug- oder Navigationskoordinatensystem transformiert werden, wodurch der Navigationscomputer die Bewegung entlang mehrerer Achsen bestimmen kann.
Dreidimensionale LVS-Konfigurationen nutzen mehrere Doppler-Messungen, um den relativen Geschwindigkeitsvektor der Plattform zu rekonstruieren. Dieser kann im Fahrzeug- oder Navigationskoordinatensystem in Längs-, Quer- und Vertikalgeschwindigkeitskomponenten umgewandelt werden. Diese Fähigkeit ist besonders wertvoll für luftgestützte und hochdynamische Plattformen, da sich deren Bewegung nicht auf eine einzige Ebene beschränkt.
Ein Mehrstrahl-Doppler-Geschwindigkeitsmesser lenkt Laserenergie entlang mehrerer Messgeometrien und verarbeitet die zurückgesendeten optischen Signale, um Geschwindigkeitskomponenten zu bestimmen. Die im reflektierten oder rückgestreuten Licht enthaltene Doppler-Frequenzverschiebung repräsentiert die Relativbewegung entlang jeder Messrichtung. Durch die Kombination von Messungen aus entsprechend ausgerichteten Strahlen kann das Signalverarbeitungssystem einen mehrdimensionalen Geschwindigkeitsvektor ableiten.
Laser-Geschwindigkeitssensoren nehmen innerhalb einer umfassenderen Navigationsarchitektur eine spezifische Rolle ein. Der folgende Vergleich verdeutlicht, inwiefern sich die LVS-Technologie von verschiedenen häufig damit in Verbindung gebrachten Sensor- und Steuerungstechnologien unterscheidet.
| Technologie | Hauptfunktion | Aspekte der Navigation |
| Doppler-Radar | Misst die Relativgeschwindigkeit anhand von Doppler-Verschiebungen im Hochfrequenzbereich | Ermöglicht berührungslose Geschwindigkeitsmessungen mittels Hochfrequenzwellen anstelle von optischer Energie |
| GNSS | Liefert Position, Geschwindigkeit und Zeitangaben anhand von Satellitensignalen | Liefert absolute Navigationsdaten, ist jedoch auf verwertbare Satellitensignale angewiesen |
| Trägheitsnavigationssystem | Schätzt die Bewegung anhand von Beschleunigungssensoren und Gyroskopen | Arbeitet autonom, akkumuliert jedoch ohne externe Unterstützung Fehler |
| Optischer Flusssensor | Schätzt die relative Bewegung anhand von Veränderungen im Bildmaterial | Die Leistung hängt vom Bildinhalt, der Beleuchtung, der Verarbeitung und der Bildgeometrie ab |
| Autopilot | Nutzt Navigations- und Sensordaten zur Steuerung eines Fahrzeugs | Ist eher ein Steuerungssystem als ein direkter Geschwindigkeitssensor |
| Doppler-LiDAR | Verwendet Laser-Doppler-Messungen zur Bestimmung der Relativgeschwindigkeit | Ein breit gefasster Sensoransatz, der auch für die Navigation konzipierte Laser-Geschwindigkeitssensoren umfassen kann |
Die geeignete Kombination hängt vom Plattformtyp, den Umgebungsbedingungen, der erforderlichen Navigationsgenauigkeit und der zu erwartenden Verfügbarkeit externer Hilfsmittel ab.
Bei der Auswahl eines Laser-Geschwindigkeitssensors müssen sowohl die Messleistung als auch dessen Integration in das übergeordnete Navigationssystem berücksichtigt werden.
Diese Faktoren bestimmen, ob ein Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmesser unter den Umgebungs- und dynamischen Bedingungen der vorgesehenen Verteidigungsplattform brauchbare Geschwindigkeitsdaten liefern kann.
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