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GNSS-freie Navigation: Was bei der IMU-Auswahl spezifiziert und geprüft werden sollte
KURZANTWORT
Fällt GNSS durch Jamming oder Spoofing aus, integrieren sich die Fehler der IMU ungebremst – ein konstanter Gyro-Bias erzeugt einen linear wachsenden Winkelfehler, und der daraus folgende Neigungsfehler lässt den Positionsfehler näherungsweise mit der dritten Potenz der Zeit wachsen. Wer eine IMU für den GNSS-freien Betrieb auswählt, braucht deshalb zweierlei: ein Fehlerbudget aus dokumentierten typ. Werten und eine Prüfung der Spezifizierbarkeit – Exportdokumentation, Lifecycle-Status und Evaluierung vor dem Design-in.
Ein aktueller Forbes-Artikel zu sicheren Lieferketten für Navigation in GNSS-freien Umgebungen hat das Thema erneut in den Fokus gerückt. Dieser Beitrag bleibt bei der technischen Praxis: Was gehört in die Spezifikation, und was muss vor dem Design-in geprüft sein? Wie lange eine IMU einen einzelnen GNSS-Ausfall überbrücken kann, haben wir bereits in einem früheren Artikel behandelt; hier geht es um die Auswahl.
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Warum braucht der GNSS-freie Betrieb eine eigene IMU-Spezifikation?
GNSS-Störungen sind kein Sonderfall mehr. Laut IATA Incident Data eXchange, zitiert in der IATA-Mitteilung zum Safety Report 2025, stiegen die gemeldeten GNSS-Jamming-Ereignisse 2025 gegenüber 2023 um 67 %, die gemeldeten GPS-Spoofing-Vorfälle um 193 %. Die litauische Regulierungsbehörde RRT identifizierte im Mai 2026 nahe Kaliningrad 36 GPS-Spoofing-Antennen – Anfang 2025 waren es 3. Der kombinierte geschätzte Wirkradius liegt bei etwa 450 km (geschätzt aus ADS-B-Störungen). Eine Messstation auf Bornholm verzeichnete 2026 bisher 30 Jamming-/Spoofing-Vorfälle, nach 16 im Jahr 2025 und 11 im Jahr 2024. Auch die zivile Luftfahrt reagiert: Airbus hat für die A220 ein Trägheitsnavigationssystem ausgewählt, das bei unzuverlässigem GNSS auf Trägheitsnavigation umschaltet; die Indienststellung ist um 2030 vorgesehen.
Für die Systementwicklung bedeutet das: Die IMU muss für die Phase spezifiziert werden, in der sie allein arbeitet – nicht nur als Stütze im GNSS-Fusionsfilter.
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Welche Datenblattwerte bestimmen das Fehlerbudget?
Das Fehlerwachstum ohne Stützung wird im Wesentlichen von vier Größen bestimmt. Die Zusammenhänge beschreibt Woodman in An introduction to inertial navigation (University of Cambridge, 2007):
- 01Gyro-Bias-Instabilität (°/h): Ein konstanter Gyro-Bias ε erzeugt einen Winkelfehler θ = ε·t, der linear wächst.
- 02Angle Random Walk, ARW (°/√h): Die Standardabweichung des Winkelfehlers wächst mit √t; der ARW-Wert entspricht σθ nach 1 h.
- 03Beschleunigungs-Bias-Instabilität (µG): Ein konstanter Beschleunigungs-Bias ε erzeugt einen Positionsfehler s = ε·t²/2.
- 04Neigungsfehler und Schwerkraft: Ein Neigungsfehler ε koppelt einen Anteil der Erdbeschleunigung als Restbeschleunigung g·sin(ε) in die horizontalen Achsen ein.
Kombiniert man den ersten und den letzten Zusammenhang (eigene Herleitung), wächst der Neigungsfehler linear und der horizontale Positionsfehler näherungsweise mit s ≈ (1/6)·g·ε·t³. Dieser kubische Term erklärt, warum die Gyro-Bias-Instabilität nach der ersten Minute meist das Budget dominiert. Der Velocity Random Walk (VRW) kommt als Rauschterm auf der Geschwindigkeit hinzu und gehört in ein vollständiges Budget.
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Wie unterscheiden sich aktuelle Epson-IMUs in diesen Kennwerten?
Alle Angaben sind typ. Werte aus den Epson-Datenblättern (typ. = Mittelwert oder 1σ bei 25 °C, 3,3 V).
| Modell | Gyro-Bias-Instabilität (°/h) | ARW (°/√h) | Beschl.-Bias-Instabilität (µG) | VRW ((m/s)/√h) | Gyro-Messbereich (°/s) | Ausgaberate (Sps, max.) | Schnittstelle | Größe (mm) / Gewicht (g) | Betriebstemp. (°C) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| M-G370PDG0 | 0,8 | 0,06 | 24 | 0,02 | ±450 | 2000 | SPI/UART | 24×24×10 / 10 | −40…+85 |
| M-G366PDG0 | 1,2 | 0,08 | 24 | 0,02 | ±450 | 2000 | SPI/UART | 24×24×10 / 10 | −40…+85 |
| M-G330PDG0 | 3 | 0,1 | 34 | 0,03 | ±400 | 2000 | SPI/UART | 24×24×10 / 10 | −40…+85 |
| M-G570PR20 | 0,5 | 0,04 | 14 | 0,012 | ±475 | 2000 | RS-422 | 65×60×30 / 150 | −30…+70 |
Die drei Modelle der PDG-Serie teilen sich Gehäuse (24×24×10 mm, 10 g) und SPI/UART-Schnittstelle. Mechanik und Elektronik lassen sich damit früh festlegen, während die Leistungsklasse erst nach Abschluss des Fehlerbudgets entschieden wird.
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Wie sieht das Budget in Zahlen aus?
Die folgenden Werte ohne Stützung dienen zur Veranschaulichung und sind keine Aussage zur Navigationsleistung. Die Bias-Instabilität wird vereinfachend als konstanter Bias behandelt (optimistisch); Schuler-Effekte, Sensorfusion und Temperatureinflüsse bleiben unberücksichtigt. Annahmen: g = 9,81 m/s², 1 µG ≈ 9,81·10⁻⁶ m/s².
Formeln: Kursfehler nach 1 h = ε_gyro·1 h; Beschleunigungsterm s = ½·ε_acc·t²; Neigungsterm s ≈ (1/6)·g·ε_gyro·t³ (ε_gyro in rad/s).
| Modell | Kursfehler aus Gyro-Bias nach 1 h (°) | ARW nach 1 h, 1σ (°) | Beschl.-Bias-Term nach 60 s (m) | Beschl.-Bias-Term nach 10 min (m) | Neigungsterm aus Gyro-Bias nach 60 s (m) | Neigungsterm aus Gyro-Bias nach 10 min (m) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| M-G370PDG0 | 0,8 | 0,06 | ≈ 0,42 | ≈ 42 | ≈ 1,4 | ≈ 1.400 |
| M-G366PDG0 | 1,2 | 0,08 | ≈ 0,42 | ≈ 42 | ≈ 2,1 | ≈ 2.100 |
| M-G330PDG0 | 3 | 0,1 | ≈ 0,60 | ≈ 60 | ≈ 5,1 | ≈ 5.100 |
Daraus folgt zweierlei: Im vereinfachten Modell übersteigt der Gyro-Bias-Term den Beschleunigungsterm bereits nach 60 s (etwa um den Faktor 3–9) und nach 10 min um mehr als eine Größenordnung – die Gyro-Bias-Instabilität ist der wichtigste Kennwert. Und eine Positionshaltung ohne Stützung über viele Minuten ist mit keiner MEMS-IMU realistisch. Die Spezifikation muss daher festlegen, wie lange die IMU überbrücken soll und welche Stützinformationen (Odometrie, Kamera, Magnetometer, Bewegungsrandbedingungen) zur Verfügung stehen. Mit dem IMU Selection Guide mit Drift-Rechner lässt sich die Rechnung für die eigene Ausfalldauer durchführen.
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Was macht eine IMU aus Beschaffungssicht spezifizierbar?
Eine IMU, die das Fehlerbudget erfüllt, aber nicht dokumentiert, exportiert oder über die Produktlebensdauer beschafft werden kann, ist keine tragfähige Wahl. Vier Prüfungen gehören in die Spezifikationsphase:
- 01Dokumentierte typ. Werte: Das Budget auf Werte der aktuellen Datenblattrevision stützen und die Revision festhalten (z. B. M-G370PDG0 Rev1.2 vom 03.03.2025, M-G570PR20 Rev1.4 vom 21.01.2026). Epson gibt typ. Werte an; werden garantierte Grenzwerte benötigt, ist das mit dem Lieferanten zu klären.
- 02Exportkontroll-Dokumentation: Die EU-Dual-Use-Verordnung (EU) 2021/821, Anhang I Kategorie 7, erfasst Beschleunigungsmesser (7A001), Kreisel (7A002) sowie IMUs bzw. Trägheitssysteme (7A003). Die Einstufung eines konkreten Bauteils ist projektbezogen mit dem Lieferanten zu bestätigen. Epson kennzeichnet die gelisteten Modelle auf seiner IMU-Lineup-Seite als „ITAR free“ (ohne Definition des Umfangs); die Datenblätter verlangen die Einhaltung des japanischen Foreign Exchange and Foreign Trade Control Act und der US-EAR. Zudem schließen die Epson-Datenblätter den Einsatz in Militär- und Waffentechnik aus.
- 03Verfügbarkeit und Lifecycle-Status: Epson kennzeichnet ältere Modelle auf der Lineup-Seite als „not recommended for new design“. Den Status jedes Kandidaten vor dem Design-in prüfen und Langzeitverfügbarkeit nur auf Basis einer schriftlichen Lieferantenaussage einplanen. Für die Zuverlässigkeitsplanung nennt Epson in seinen FAQ eine MTTF von über 50.000 h.
- 04Evaluierung vor dem Design-in: Typ. Werte sind Mittelwerte oder 1σ-Angaben bei 25 °C. Das Bias-Verhalten sollte über den eigenen Temperaturbereich und das eigene Bewegungsprofil mit realer Hardware gemessen werden, bevor das Layout feststeht.
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Welche Punkte gehören in die Checkliste zur IMU-Spezifikation?
| Prüfpunkt | Was prüfen | Nachweis / Dokument |
|---|---|---|
| Gyro-Bias-Instabilität (°/h) | Budget für geforderte Ausfalldauer erfüllt | Aktuelle Datenblattrevision, eigenes Fehlerbudget |
| ARW (°/√h) und VRW ((m/s)/√h) | Rauschterme im Budget berücksichtigt | Datenblatt |
| Beschl.-Bias-Instabilität (µG) | Positionsterm über Ausfalldauer akzeptabel | Datenblatt, eigene Rechnung |
| Art der Werte | Typ. oder garantiert; Bedingungen (25 °C, 3,3 V) | Datenblatt-Fußnoten, Lieferantenbestätigung |
| Betriebstemperatur (°C) | Deckt Einsatzbereich ab | Datenblatt, eigener Temperaturtest |
| Schnittstelle und Ausgaberate (Sps) | Passend zu Host und Filterrate | Datenblatt, Treiber |
| Exportklassifizierung | Für Bauteil und Zielland bestätigt | Lieferantenaussage; Prüfung EU 2021/821 Anhang I Kat. 7 |
| Lifecycle-Status | Nicht als „not recommended for new design“ gekennzeichnet | Lineup-Seite des Herstellers, Lieferantenbestätigung |
| Lieferkontinuität | Schriftliche Aussage, wo erforderlich | Lieferant |
| Evaluierung | Bias und Rauschen auf eigener Hardware und eigenem Profil verifiziert | Testbericht mit Evaluation-Kit |
QWelcher IMU-Kennwert ist im GNSS-freien Betrieb am wichtigsten?
Über Zeiträume von Minuten meist die Gyro-Bias-Instabilität: Der resultierende Neigungsfehler koppelt die Erdbeschleunigung in die horizontalen Kanäle ein, der Positionsfehler wächst näherungsweise mit t³.
QReichen typ. Datenblattwerte für ein Fehlerbudget?
Sie sind ein solider Ausgangspunkt. Die typ. Werte von Epson sind jedoch Mittelwerte oder 1σ bei 25 °C und 3,3 V – sie sollten über den eigenen Temperaturbereich und das Bewegungsprofil verifiziert werden; ob garantierte Grenzwerte nötig sind, klärt man mit dem Lieferanten.
QUnterliegen Epson-IMUs der Exportkontrolle?
Die EU-Verordnung 2021/821, Anhang I Kategorie 7, erfasst Beschleunigungsmesser, Kreisel und IMUs. Die Einstufung eines konkreten Epson-Modells muss projektbezogen mit dem Lieferanten bestätigt werden; Epson kennzeichnet die gelisteten Modelle als „ITAR free“.
QLässt sich die Leistungsklasse der PDG-Serie spät im Design ändern?
M-G370PDG0, M-G366PDG0 und M-G330PDG0 teilen Gehäuse (24×24×10 mm), Gewicht (10 g) und SPI/UART-Schnittstelle. Mechanik und Elektronik bleiben gleich, die Leistungsklasse ergibt sich aus dem Fehlerbudget.
EVALUATION KIT
Wie lässt sich eine IMU der PDG-Serie im eigenen Projekt evaluieren?
AMCORIS, die Motion-Sensing-Marke von Channel Microelectronic, stellt für qualifizierte Projekte Evaluation-Kits als kostenlose Leihstellung bereit – so lässt sich das Bias- und Rauschverhalten auf der eigenen Hardware prüfen, bevor das Design festgelegt wird. M-G370PDG0, M-G366PDG0, M-G330PDG0 und M-G570PR20 sind auf Anfrage erhältlich; die M-A352AD10 wird direkt angeboten. Kurzdatenblätter, Studien und GitHub-Treiber finden Sie im Download-Bereich, vollständige Datenblätter auf Anfrage.