Navigations-Doppler-LiDAR (NDL) für die autonome Navigation in umkämpften Umgebungen

Joseph Macey

Aktualisiert:

Navigation Doppler LiDAR (NDL) misst die Bewegung der Plattform relativ zum Boden mithilfe kohärenter Doppler- oder frequenzmodulierter Dauerstrichtechniken. Es liefert Geschwindigkeitsvektoren, Drift- und Bewegungsdaten, um eine genaue Positionierung in GNSS-unverfügbaren oder beeinträchtigten Umgebungen aufrechtzuerhalten.

NDL wird in den Bereichen Verteidigung, Avionik, Katastrophenschutz und unbemannte Systeme eingesetzt und unterstützt eine ausfallsichere Navigation, wenn GNSS, Radar oder Bildverarbeitungssysteme versagen. Integriert mit Trägheitssystemen und Autonomie-Software verbessert es die Fahrzeuglokalisierung, reduziert Abweichungen und optimiert die Routensteuerung für eine zuverlässige Missionsausführung unter komplexen Einsatzbedingungen.

Anwendungen von Navigations-Doppler-LiDAR

Navigation Doppler LiDAR, NDL, von Psionic

Die zuverlässige Navigationslösung SurePath Ground-V von Psionic mit Navigation-Doppler-LiDAR-Technologie (NDL).

UAV-Navigation

UAV-Navigationssysteme nutzen Doppler-LiDAR, um während des Flugs in geringer Höhe, bei der autonomen Landung und bei Einsätzen unter Bedingungen ohne GNSS-Empfang eine genaue Bewegungserkennung aufrechtzuerhalten. Dies ist besonders wertvoll für Drohnen-Navigationssysteme, die Aufklärungs-, Nachschub- und Einsatzaufgaben in umkämpften Lufträumen unterstützen.

Konvoi-Einsätze

Bodentruppen und Sicherheitsteams können LiDAR-Bewegungssensordaten nutzen, um Konvoi-Einsätze in unwegsamem Gelände zu unterstützen, wo Kartenabgleich und Satellitenabdeckung unzuverlässig sein können. Die Technologie verbessert die Fahrzeuglokalisierung und trägt dazu bei, kumulative Navigationsfehler während langer Streckenabschnitte zu reduzieren.

Zielerfassungsunterstützung

Die Navigationsqualität wirkt sich direkt auf die Zielerfassung und die Präzision der Zielerfassung aus. Ein Doppler-LiDAR-System kann die Positionsgenauigkeit von Plattformen verbessern, die elektrooptische, infrarote oder Waffenleitsysteme für die Zielerfassung und die Luftnahunterstützung steuern.

Dauerüberwachung


Dauerüberwachungssysteme sind auf eine genaue Bewegungskompensation der Plattform angewiesen, um die Verfolgungsqualität und die Sensorausrichtung aufrechtzuerhalten. Navigations-Doppler-LiDAR kann Plattformen zur Lageerfassung unterstützen, indem es stabile Geschwindigkeitsmessungen für Überwachungs- und Zielerfassungsabläufe liefert.

Materialnachschub

Materialnachschubsysteme für unbemannte Flugzeuge und autonomen Bodenfahrzeugen benötigen eine zuverlässige Navigation während Anflug, Landung und Zustellung. NDL-Technologien können dazu beitragen, Abweichungen zu reduzieren und die Kontrolle während der Last-Mile-Logistik in komplexem Gelände oder bei eingeschränkter Sicht zu verbessern.

Luftfahrt für Rettungsdienste

Besatzungen von Rettungsflugzeugen, die Hubschrauber oder Starrflügler einsetzen, sind häufig mit Rauch, Staub, schlechten Lichtverhältnissen und gestörter Kommunikation konfrontiert. Ein LiDAR-Positionierungssystem kann die Flugstabilität, die Ortung und die Navigationssicherheit bei Rettungs-, medizinischen Evakuierungs- und Katastropheneinsätzen verbessern.

Arten von Doppler-LiDAR-Navigationssystemen

Kohärente Doppler-LiDAR-Systeme

Kohärente Doppler-LiDAR-Systeme messen Bewegungen, indem sie Doppler-Frequenzverschiebungen in der zurückgesendeten Laserenergie erfassen. Sie werden häufig mit hochsensibler Geschwindigkeitsmessung in Verbindung gebracht und eignen sich gut für anspruchsvolle Avionik- und Verteidigungsumgebungen.

Frequenzmoduliertes Dauerstrich-LiDAR

Frequenzmodulierte Dauerstrich-LiDAR-Architekturen ermöglichen die gleichzeitige Ermittlung von Entfernung und Geschwindigkeit in einem kompakten Design. Diese Systeme kommen häufig in Betracht, wenn Größe, Gewicht und Leistungsaufnahme bei der Integration in UAVs und luftgestützte Nutzlasten eine Rolle spielen.

Scanning-Doppler-LiDAR

Scanning-Doppler-LiDAR-Systeme erfassen Bewegungen in mehreren Richtungen oder Sektoren, um ein umfassenderes Verständnis der Bewegung und der umgebenden Geometrie zu gewinnen. Dies kann der Objekterkennung, der geländebezogenen Situationserkennung sowie der dynamischen Lande- oder Routenbewertung zugutekommen.

Direktdetektions-Doppler-LiDAR

Direktdetektions-Doppler-LiDAR-Ansätze können für spezialisierte Geschwindigkeitsmessanwendungen eingesetzt werden, bei denen sich die Systemarchitektur oder die Missionsanforderungen von denen kohärenter Designs unterscheiden. Die Auswahl hängt von den Leistungsanforderungen, dem Plattformtyp und den Umgebungsbedingungen ab.

Im Vergleich zur GNSS-basierten Navigation bietet Navigations-Doppler-LiDAR Robustheit in Umgebungen mit Signalausfall oder -störung, funktioniert jedoch in der Regel am besten in Kombination mit Trägheits- und Missionssystemen und nicht als vollständiger eigenständiger Ersatz. Sein Nutzen ist am größten, wenn die Kontinuität der Bewegungserfassung wichtiger ist als die absolute Positionierung über große Bereiche.

Im Vergleich zur rein inerziellen Navigation kann NDL die Drift durch die Bereitstellung externer Bewegungsreferenzen reduzieren. Dies macht es nützlich für Langzeitmissionen, Flüge in geringer Höhe und autonome Fahrzeugnavigationssysteme, die keine zunehmende Positionsunsicherheit tolerieren können.

Im Vergleich zur kamerabasierten visuellen Navigation können LiDAR-basierte Objekterkennung und Bewegungserfassung in einigen Szenarien mit geringer Textur oder schlechten Lichtverhältnissen zuverlässiger sein, obwohl die Leistung weiterhin von den atmosphärischen und Oberflächenbedingungen abhängt. Im Vergleich zu Radar kann LiDAR hochpräzise Bewegungsdaten in einem kompakteren Gehäuse liefern, wobei sich die Umgebungstoleranz und das Reichweitenverhalten je nach Bauart unterscheiden.

Wichtige Auswahlkriterien für Verteidigungs- und Avionikprogramme

Programmteams bewerten Navigations-Doppler-LiDAR in der Regel anhand eines definierten Einsatzprofils. Wichtige Aspekte sind dabei Geschwindigkeitsgenauigkeit, Aktualisierungsrate, Reichweitenleistung, Größe, Gewicht und Leistungsaufnahme sowie die Robustheit gegenüber Umwelteinflüssen wie Staub, Regen, Nebel, Vibrationen und Stößen.

Ebenso wichtig sind die Integrationsanforderungen. Käufer prüfen häufig die Schnittstellen zu Flugcomputern, Missionscomputern, Trägheitssystemen, Autonomie-Stacks und Fahrzeuglokalisierungssoftware sowie die Kalibrierungsanforderungen und die Plattformstabilisierungsleistung. Bei der UAV-Navigation und der Avionik für bemannte Flugzeuge können Zertifizierungswege, elektromagnetische Verträglichkeit und integrationsbezogene Einschränkungen hinsichtlich der Lufttüchtigkeit ebenfalls die Beschaffungsentscheidungen beeinflussen.

Relevante Normen und Compliance-Aspekte

Navigations-Doppler-LiDAR-Systeme können je nach Plattform und Mission anhand einer Kombination aus Verteidigungs-, Luft- und Raumfahrt- sowie Umweltnormen bewertet werden. MIL-STD-810 ist in der Regel für Umwelttechnik und Robustheit relevant, einschließlich Überlegungen zu Vibration, Stoß, Temperatur, Feuchtigkeit, Sand und Staub. MIL-STD-461 kann Anwendung finden, wenn elektromagnetische Störungen und Kompatibilität für die Integration von Missionssystemen kontrolliert werden müssen.

Bei NATO-konformen Programmen können die geltenden STANAG-Anforderungen die Erwartungen hinsichtlich Interoperabilität, Prüfung, Datenverarbeitung und Plattformintegration beeinflussen, wobei der genaue Standard vom Trägerfahrzeug und der Missionsrolle abhängt. In der Avionik ist RTCA DO-160 häufig für die Umgebungsbedingungen und Prüfverfahren von Bordausrüstung relevant. Rettungsdienste, die Luftfahrt sowie zivil-militärische Dual-Use-Plattformen erfordern unter Umständen ebenfalls die Anpassung an die von der zuständigen Behörde verwendeten Rahmenwerke für Lufttüchtigkeit, Sicherheit und Software-Sicherung.

Da widerstandsfähige Navigation in den Bereichen Verteidigung, Katastrophenschutz und fortschrittliche Avionik zunehmend an Bedeutung gewinnt, rückt Doppler-LiDAR für die Navigation als praktische Basistechnologie in den Fokus. Es unterstützt die Navigation ohne GPS, verbessert das Situationsbewusstsein und stärkt die Fahrzeuglokalisierung für Plattformen, die präzise arbeiten müssen, wenn herkömmliche Navigationshilfen nicht verfügbar, gestört oder unzureichend sind.

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