О необходимости более надёжного стандарта для инерциальных датчиков

С активным развитием инерциальной навигации увеличилось разнообразие инерциальных датчиков и их классов производительности. Хотя существует всеобъемлющая структура терминологии стандартов, охватывающая как военные, так и гражданские руководства (например, Стандарт IEEE для терминологии инерциальных датчиков), их принятие и применение остаются противоречивыми в отрасли. Эта непоследовательность создает две основные проблемы:

1. Неоднородность в представлении данных: при сравнении листов данных от разных производителей можно легко заметить вопиющие различия в представлении и формате. Эта неоднородность препятствует эффективному сравнению, делая процессы выбора для конечных пользователей громоздкими и потенциально вводящими в заблуждение.

2. Расхождения в протоколах тестирования: даже при наличии чётких инструкций производители и конечные пользователи часто расходятся в своём понимании и применении. Это приводит к тому, что конечные пользователи самостоятельно проверяют инерциальные датчики из-за непоследовательных интерпретаций терминологии стандартов и методов тестирования.

Более того, в последнее время в отрасли наблюдается тревожная тенденция: непонимание, неверное толкование или даже прямое пренебрежение основополагающими терминами для таких классов, как «тактический», «высший класс тактических», «навигационный» и «стратегический».

Учитывая эту устойчивую тенденцию, очевидно, что, хотя существующие стандарты играют фундаментальную роль, необходим более надёжный и общепринятый стандарт терминологии верхнего уровня, который чётко документирует, что такое тактический/навигационный/стратегический класс для INS/IMU и инерциальных датчиков. Этот стандарт не должен иметь двойного толкования.

Основная функция инерциальных систем, охватывающая инерциальные измерительные блоки (IMU) и инерциальные навигационные системы (INS), заключается в предоставлении автономного решения навигационной проблемы. Это включает в себя расчёт текущего положения (скорости) и ориентации движущегося объекта на основе его ранее определённого положения и выходных данных от INS. Точность, с которой эти системы автономно решают навигационную задачу, определяет их класс. Любой другой метод определения класса инерциальных датчиков может привести к путанице. Соответственно, IMU и INS, вместе с соответствующими инерциальными датчиками, делятся на четыре различные категории классов: морские, навигационные, тактические и автомобильные.

Назначение и точность: ИНС морского класса, представляющие наивысшую категорию производительности, разработаны для предоставления чрезвычайно точных автономных навигационных решений. Они поддерживают погрешность менее 1 морской мили (приблизительно 1852 м) в течение дня.

ИНС/ИМУ навигационного класса должны соответствовать стандарту SNU 84, который устанавливает максимальный дрейф горизонтального положения в 1 морскую милю (или около 1,5 км в некоторых стандартах) в течение первого часа работы.

Краткосрочная точность: ИИБ/ИНС тактического класса предназначены для краткосрочных навигационных решений, обеспечивая точное наведение с погрешностью в 1 морскую милю в течение короткого периода времени, обычно составляющего от нескольких до 10 минут.

Расширенные возможности за счёт интеграции: хотя они и имеют ограничения по долговременной точности, их интеграция с другими системами, такими как GPS (ГНСС США), зрение или LiDAR, повышает их полезность, расширяя область их применения в различных областях.

Также стоит отметить, что тактический класс можно разделить на три подкатегории: тактический класс низкого уровня, тактический класс стандартного уровня и тактический класс высокого уровня. Тактический класс низкого уровня обычно обеспечивает точность на порядок ниже, чем тактический класс стандартного уровня. И наоборот, тактический класс высокого уровня, иногда называемый почти навигационным или навигационным классом низкого уровня, заполняет пробел между стандартными тактическими и навигационными классами с точки зрения точности.

Ограниченные возможности автономной работы: как инерциальные измерительные блоки автомобильного класса, они не подходят для точной автономной навигации, но полезны в сочетании с другими системами.

Придерживаясь этой предложенной системы классификации, основанной на точности навигации, мы можем более точно оценить возможности и ограничения различных IMU и INS. Такой подход упрощает процесс выбора правильной системы для конкретных навигационных нужд и обеспечивает прямую привязку классификации к основной функции этих систем. Таким образом, при определении класса инерциального датчика прямым и основным критерием должен быть уровень точности, который он обеспечивает в автономной навигационной системе. Эта оригинальная классификация служит основным источником, предлагая четкую и недвусмысленную структуру для понимания и категоризации инерциальных датчиков.

За последнее десятилетие наметилась заметная тенденция к использованию инерциальных датчиков в сочетании с корректорами, такими как LiDAR и визуальная одометрия, исключая корректоры, которые определяют абсолютные координаты, такие как GPS. Слияние IMU с неинерциальными датчиками позволяет калибровать большинство (но не все) ошибок датчиков. Например, в идеальном случае смещения инерциальных датчиков могут быть откалиброваны по уровню нестабильности смещения, а ошибка ориентации и положения INS может быть определена по уровню случайного блуждания угла (ARW), случайного блуждания скорости (VRW) и нестабильности смещения.

Этот подход может поднять навигационное решение автомобильного класса IMU до точности тактического класса или тактического класса IMU до точности навигационного класса. Окончательная точность, достигаемая IMU при слиянии с неинерциальными корректорами, в основном определяется качеством корректоров и фильтров оценки (которые не являются предметом этого обсуждения), а также некоторыми параметрами самих инерциальных датчиков.

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

По материалам открытых источников