Близкое знакомство с инерциальной навигацией

Пока эксперты ищут способы заполнить пробелы в уязвимостях ГНСС, появляются альтернативные навигационные источники и датчики, каждый со своими ограничениями. Ни одна технология не в силах обеспечить точного и надёжного позиционирования, навигации и синхронизации в любом месте и в любое время. Вместо этого можно объединить дополнительные преимущества различных навигационных средств с помощью слияния датчиков.

Как построить систему сенсорного синтеза? Почти все навигационные средства получают информацию из неких внешних источников, которые не всегда могут быть доступны. Одно автономное решение обеспечивает заметное исключение. Это инерциальная навигация. Инерциальная навигационная система (ИНС) измеряет негравитационные ускорения и угловые скорости и интегрирует их в навигационные данные. Система может работать в любой среде и в любое время.

В результате надёжное позиционирование в любом месте и в любое время может быть обеспечено за счёт слияния датчиков, ориентированных на ИНС, которое органично связывает различные навигационные средства вокруг инерциальной системы. В этом случае ИНС служит основным датчиком для обеспечения навигационных выходных данных, в то время как другие (зависящие от окружающей среды) навигационные датчики предоставляют вспомогательные данные для уменьшения дрейфа инерциальных навигационных выходных данных. Такое комплементарное слияние даёт:

• бесшовное добавление вспомогательных данных, когда и если они доступны;

• непрерывность решения в различных средах;

• надёжную и отказоустойчивую оценку состояния в спорных средах, где искажённые измерения (например, многолучевое распространение ГНСС вне прямой видимости) устраняются с помощью скрининга на основе ИНС.

Последние достижения в области инерциальных навигационных технологий и, особенно, в микроэлектромеханических инерциальных измерительных блоках (MEMS IMU), позволяют найти подходящий вариант ИНС для широкого спектра приложений, от потребительского класса стоимостью 2-3 доллара до тактического уровня. В результате, инерциальная навигация уже лежит в основе многих существующих систем, и её использование в будущем будет только расширяться.

Производительность MEMS-датчиков потребительского уровня продолжает улучшаться.

Значение дрейфа при включении может быть достаточно большим. Тем не менее, этот дрейф стабилен и может быть эффективно откалиброван на этапе инициализации, когда система находится в состоянии покоя. Остаточные стохастические вариации остаются на уровне 20 град/ч, что достаточно для получения существенных преимуществ с точки зрения навигации. Это включает: 

• движение по инерции при отключении ГНСС;

• надёжную навигацию в суровых условиях ГНСС, таких как плотные городские каньоны;

• уменьшение помех, включая подавление помех и защиту от спуфинговых атак.

Этот процесс:

• обеспечивает эффективную линеаризацию системных отношений, так что интегрирующий фильтр может быть реализован в виде вычислительно эффективного расширенного фильтра Калмана (EKF);

• существенно упрощает моделирование динамических состояний, так как медленно меняющиеся ошибки ИНС могут быть смоделированы гораздо надёжнее, чем быстро меняющиеся навигационные состояния.

Глубокая интеграция совмещения датчиков, ориентированных на ИНС, с ГНСС позволяет ослаблять сигналы помех и подавлять спуфинговые атаки в системе небольшого форм-фактора, в которой не требуется использование многоэлементных антенных решеток. Глубокая интеграция использует инерционную помощь для значительного увеличения интервала накопления полученных сигналов ГНСС.

Возможности позиционирования с точностью до метра поддерживаются с помощью набора микросхем MEMS IMU. В дополнение к подавлению помех длительное накопление сигнала также полезно для восстановления слабого сигнала. В частности, защита от помех на 20 дБ эквивалентна усилению на 20 дБ при обработке слабых сигналов ГНСС, что напрямую полезно для ухудшенных условий, таких как плотная городская застройка и под многоуровневым навесом.

Подводя итог, можно сказать, что инерциальные МЭМС-датчики потребительского класса обеспечивают существенные преимущества для различных сред с ухудшенными возможностями ГНСС. Как видно из результатов испытаний, тесная связь ГНСС/ИНС обеспечивает непрерывность определения местоположения при относительно коротких перерывах в работе ГНСС (30-40 секунд). Продолжительность простоя может быть увеличена (до 5 минут и более), если механизация системы дополняется другими навигационными средствами (например, ограничениями движения для наземных транспортных средств). Кроме того, тесно связанное решение обеспечивает надёжную локализацию в сложных условиях ГНСС, таких как городские каньоны. Наконец, расширение тесной связи до глубокой интеграции позволяет уменьшить помехи (помехи и спуфинг).

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