Целостность ГНСС для автономного вождения

Автомобильный мир продвигают к автономному будущему надежда на более безопасные дороги и соблазн беззаботных поездок на работу и транспортных услуг без водителя. Технология, лежащая в основе всего этого, включает в себя радары, машинное зрение, LiDARы и карты высокой чёткости в сочетании с машинным обучением и искусственным интеллектом. Это должно обеспечить предотвращение столкновений, позиционирование на основе ориентиров и осведомлённость об окружающей среде. Данный набор технологий удовлетворит большинству требований для безопасного движения автомобиля по дорожной сети. Также необходим надёжный, высокоточный источник абсолютного местоположения, и позиционирование на основе ГНСС (глобальные навигационные спутниковые системы) – единственная глобально доступная технология, которая может его обеспечить.

ГНСС в автомобильной среде имеет ряд уязвимостей. Отслеживание сигнала не может быть непрерывным даже на шоссе. Сигналы прерываются деревьями, зданиями, мостами и туннелями. Способ преодоления этого – сочетание ГНСС с инерциальными навигационными системами (INS), включающими использование инерциальных измерительных блоков (IMU) и датчиков скорости вращения колёс (WSS). ГНСС используется для инициализации и калибровки INS, которое затем обеспечивает позиционирование в те периоды, когда сигналы ГНСС недоступны.

Если ГНСС будет использоваться для автомобильных приложений, критически важных с точки зрения безопасности, потребуются подсистемы позиционирования ГНСС/INS, которые соответствуют требованиям функциональной безопасности автомобилей (FuSa). Стандарт ISO 26262 предъявляет строгие требования к способу проектирования, разработки и проверки систем. Оборудование сертифицировано по одному из четырёх уровней безопасности (уровень целостности автомобильной безопасности) – ASIL A, ASIL B, ASIL C и ASIL D, причем ASIL A является самым низким уровнем. Автопроизводитель обычно решает, какой уровень требуется, исходя из того, как будет использоваться подсистема, а также из принятой стратегии безопасности и целей безопасности.

Однако FuSa – это только часть истории.

Ещё один стандарт – ISO/PAS 21448 – касается безопасности предполагаемой функции (SOTIF). Он связан с ограничением рисков, которые существуют даже тогда, когда оборудование отлично выполняет свои функции. В случае ГНСС, эти риски связаны с отказами спутников и систем ГНСС в более широком смысле, большими ошибками, возникающими из-за атмосферных возмущений, таких как тропосферные и ионосферные бури и ионосферные мерцания, и, чаще всего, большими ошибками, возникающими из-за многолучевого искажения сигналов.

Дополнительные угрозы SOTIF возникают, когда измерения датчиков (например, от инерциальных измерительных блоков и датчиков скорости вращения колёс) объединяются в решение. Это связано с тем, что на такие датчики даже при идеальной работе влияют температура, вибрация, пробуксовка колес, износ шин, деформация шин и так далее.

Автомобильная среда намного суровее для ГНСС, чем авиация, в которой проблема целостности была решена много лет назад. Распределения ошибок сильно нестационарны, и часто могут возникать большие выбросы из-за сигналов NLOS, поступающих на антенну, что может привести к ошибкам произвольного размера, а также из-за серьёзных многолучевых искажений, возникающих в результате отражений от зданий, деревьев, мостов и т.д.

Гонка за обеспечение целостности позиционирования на основе ГНСС для автоматизированного вождения идёт полным ходом. Требования устрашающие, необходимо достичь такого же низкого риска нарушения целостности, как и в авиации, но с гораздо более жёсткими условиями для сигнала ГНСС, требующими гораздо более высокого уровня точности. Несмотря на заявления некоторых коммерческих конкурентов о том, что они могут предложить такие решения, нет никаких публичных доказательств того, что все многочисленные проблемы, стоящие перед исследованиями целостности ГНСС, решены. Тем не менее, был достигнут значительный прогресс, и в конце туннеля появился свет.

Подход EKF-ARAIM основан на новаторской работе, проведённой в авиации, путём адаптации ARAIM для работы с фильтрами Калмана с использованием двухдиапазонных методов измерения фазы, несущей с комбинациями измерений без ионов. 

Для умеренного риска нарушения целостности можно использовать доказательство риска для EKF-ARAIM, а EKF-ARAIM, вероятно, потребует значительно меньше вычислительных ресурсов, чем SEPB. Однако из-за очень низкого риска нарушения целостности SEPB может быть проверен гораздо легче, чем EKF-ARAIM, в то время как вычислительные требования могут быть весьма схожими. SEPB также обеспечивает гораздо более плотные PL, чем EKF-ARAIM. По этим причинам мы видим пространство для обоих типов решений для будущего безопасного позиционирования в автомобильных приложениях, а также для робототехники, управления машинами и эксплуатации дронов за пределами прямой видимости.

Подписывайтесь на журнал «Вестник ГЛОНАСС» и навигационный Telegram-канал