Stellar-40 Sistema de navegación inercial de grado táctico

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La navegación por estima es un método de navegación sin GNSS que se basa en la inercia y otros datos de sensores para mantener un seguimiento continuo. Por lo general, cuando GNSS pierde GNSS , el sistema pierde por completo su posición. Con la navegación por estima, el sistema calcula una posición continua que se desviará lentamente con el tiempo. La velocidad de esta desviación depende de la calidad de la IMU interna IMU de la disponibilidad de sensores externos auxiliares.

El Stellar-40 utiliza nuestro protocolo propietario sbgECom, que emplea tramas de mensajes claramente definidas. Utilizando esos mensajes predefinidos, el sistema puede ingerir sin problemas datos aerodinámicos (airdata), velocidades del cuerpo y datos de posición absoluta de cualquier sensor externo capaz de proporcionar dicha información.

No, ya que no es necesario. El algoritmo avanzado de fusión de sensores del Stellar-40 calcula y estima automáticamente las condiciones del viento en tiempo real, eliminando la necesidad de introducirlas manualmente.

Para plataformas terrestres, el Stellar-40 admite una variedad de entradas de asistencia para mejorar la precisión de la navegación, especialmente en entornos con denegación de GNSS. Estas incluyen odómetros de hardware (odometría de rueda), asistencias de velocidad de sensores externos (como LiDAR o sensores ópticos) y asistencias de posición absoluta.

La elección correcta depende de su entorno operativo. Recomendamos encarecidamente la versión amortiguada para plataformas expuestas a entornos hostiles y con vibraciones, como drones de ataque profundo o vehículos terrestres no tripulados (UGV). Si no está seguro de qué versión se adapta mejor a su aplicación, nuestro equipo de asistencia está a su disposición para ayudarle a tomar la decisión correcta.

¿Qué es el SBAS?

El Sistema de Aumentación Basado en Satélites (SBAS) es una tecnología GNSS que mejora la precisión, la integridad, la disponibilidad y la continuidad del posicionamiento por satélite. Desarrollado inicialmente para dar soporte a la aviación, el SBAS se ha convertido en una valiosa ayuda a la navegación para aplicaciones como los vehículos aéreos no tripulados (UAV), la navegación marítima, la agricultura de precisión, la cartografía SIG, los vehículos autónomos y los sistemas de navegación inercial (INS). A diferencia de la cinemática en tiempo real (RTK) o el posicionamiento de punto preciso (PPP), el SBAS proporciona un posicionamiento gratuito con una precisión del orden de un metro sin necesidad de una estación base local ni de conexión a Internet.

Un GNSS autónomo determina su posición midiendo las pseudodistancias desde los satélites pertenecientes a constelaciones como GPS, Galileo, GLONASS o BeiDou. Sin embargo, estas mediciones se ven afectadas por varias fuentes de error, entre las que se incluyen la deriva del reloj del satélite, los errores de órbita (efemérides), el retardo ionosférico, el retardo troposférico, el ruido del receptor y las trayectorias múltiples. El SBAS estima continuamente el mayor de estos errores y transmite correcciones en tiempo real que mejoran significativamente la solución de navegación.

La arquitectura del SBAS se basa en una red de estaciones de referencia, cuya ubicación se ha determinado con precisión, distribuidas por toda una región. Estas estaciones supervisan continuamente GNSS y comparan las distancias medidas a los satélites con sus posiciones conocidas para estimar los errores del reloj del satélite, de la órbita y de la ionosfera. Las mediciones se transmiten a centros de control principales, que combinan los datos de todas las estaciones de referencia para generar mensajes de corrección e información de integridad. A continuación, estos mensajes se envían a satélites geoestacionarios, que los retransmiten a GNSS compatibles con el SBAS. El receptor aplica las correcciones antes de calcular su posición, lo que reduce de forma efectiva las principales fuentes de error que afectan a las mediciones de pseudodistancia.

Matemáticamente, la pseudodistancia corregida puede expresarse como:

Pcorregido​ = Pmedida​ − Δreloj ​− Δórbita​ − Δiónico​

donde Pmedida es la medición de pseudodistancia original, Δreloj representa la corrección del reloj del satélite, Δórbita​ es la corrección orbital, y Δiono es la corrección del retraso ionosférico.

Estas correcciones suelen reducir los errores de posicionamiento GNSS autónomo de entre 3 y 10 metros aproximadamente a entre 1 y 2 metros. Aunque este nivel de precisión es inferior al rendimiento a nivel centimétrico que se consigue con RTK o PPP, el SBAS ofrece una ventaja importante: la supervisión de la integridad. En lugar de limitarse a mejorar la precisión de la posición, el SBAS evalúa continuamente el estado de cada satélite supervisado y avisa rápidamente a los usuarios si un satélite deja de ser fiable debido a anomalías en el reloj, errores orbitales o degradación de la señal. Esta capacidad es esencial para aplicaciones críticas para la seguridad, en las que los usuarios deben saber si pueden confiar en la solución de navegación.

En todo el mundo operan varios servicios SBAS regionales. Entre ellos se encuentran el WAAS en América del Norte, el EGNOS en Europa, el MSAS en Japón, el GAGAN en la India, el SDCM en Rusia, el KASS en Corea del Sur y el SouthPAN en Australia y Nueva Zelanda. Los receptores GNSS multifrecuencia modernos suelen ser compatibles automáticamente con varios servicios SBAS, en función de su ubicación geográfica.

En el caso de los sistemas de navegación inercial, el SBAS proporciona una GNSS más precisa y fiable que mejora el rendimiento de la fusión de sensores. Un filtro de Kalman extendido (EKF) utiliza las mediciones corregidas GNSS y velocidad GNSS para limitar periódicamente la deriva acumulada por los sensores inerciales. En comparación con GNSS autónomo, el SBAS reduce el ruido de medición y los sesgos relacionados con los satélites, lo que da lugar a actualizaciones de posición y velocidad más estables, al tiempo que proporciona valiosa información sobre la integridad para los algoritmos de navegación. Sin embargo, el SBAS no aumenta la frecuencia GNSS y no puede compensar GNSS . Durante las interrupciones de la señal, el rendimiento general de la navegación sigue dependiendo principalmente de la calidad de la IMU de la eficacia del algoritmo INS .

Por lo tanto, el SBAS es una solución excelente para aplicaciones que requieren un posicionamiento gratuito, disponible a nivel mundial con una precisión del orden de los metros, y que ofrezca una alta fiabilidad e integridad. Resulta especialmente adecuado para vehículos autónomos, vehículos aéreos no tripulados (UAV), navegación marítima, agricultura y sistemas industriales, en los que una navegación robusta es más importante que alcanzar una precisión del orden de los centímetros. Cuando las aplicaciones exigen un posicionamiento de grado topográfico, el RTK o el PPP siguen siendo las técnicas de corrección preferidas, mientras que el SBAS sirve como una mejora fiable y ampliamente disponible para GNSS convencional.

Cómo mantienen los sistemas de navegación inercial el posicionamiento durante las interrupciones de « GNSS »

1 – Sistemas de navegación inercial e integración de « GNSS »

Un sistema de navegación inercial (INS) determina la posición, la velocidad y la orientación a partir de mediciones inerciales a bordo. En esencia, una unidad de medición inercial (IMU) combina tres acelerómetros y tres giroscopios. Los acelerómetros miden la fuerza específica, mientras que los giroscopios miden la velocidad angular a lo largo de tres ejes ortogonales.

El ordenador de navegación procesa estas mediciones a gran velocidad. En primer lugar, integra las mediciones del giroscopio para estimar los cambios de actitud. A continuación, transforma la aceleración medida al sistema de referencia de navegación y compensa la gravedad y otros efectos conocidos. Por último, integra la aceleración para estimar la velocidad y la posición. Este proceso permite que el « INS » genere una solución de navegación continua sin depender de señales externas.

Cuando se dispone de un sistema de referencia de velocidad ( GNSS ), el sistema de control de velocidad ( INS ) suele funcionar como parte de una solución integrada de control de trayectoria (GNSS) y control de posición (INS ). El sistema de control de trayectoria ( GNSS ) proporciona una referencia externa de posición y velocidad, mientras que el sistema de control de posición ( IMU ) proporciona mediciones de movimiento de alta frecuencia. El filtro de navegación combina ambas fuentes para estimar el estado del vehículo y limitar los errores inerciales.

Cuando las señales de GNSS dejan de estar disponibles, el sistema pasa a la propagación inercial, lo que a menudo se describe como navegación por estima. El INS sigue integrando las mediciones del giroscopio y del acelerómetro a partir del último estado de navegación conocido. Como resultado, puede mantener una salida continua de posición, velocidad y actitud durante la interrupción del servicio.

Sin embargo, la navegación inercial no elimina los errores de posicionamiento durante una interrupción del servicio. El sesgo de los sensores, el ruido, los errores de factor de escala, la desalineación y otras imperfecciones se acumulan a lo largo del proceso de integración. En concreto, los errores de los acelerómetros afectan a la velocidad y, por ende, a la posición, mientras que los errores de los giroscopios afectan a la actitud y pueden introducir errores de posición adicionales debido a una compensación incorrecta de la gravedad.

Por lo tanto, la duración y la magnitud de una interrupción del sistema « GNSS » influyen directamente en la incertidumbre de posición resultante. Los sensores inerciales de mayor rendimiento reducen el aumento del error y permiten que el sistema supere interrupciones más prolongadas antes de que la deriva acumulada adquiera una importancia significativa.

Con casi dos décadas de experiencia en el diseño y la fabricación de sensores inerciales, SBG Systems desarrolla tecnologías IMU y INS diseñadas para ofrecer un rendimiento de navegación fiable cuando la disponibilidad de GNSS es limitada o se interrumpe.

2 – Filtrado de Kalman y fusión de sensores

La fusión de sensores permite que un sistema GNSS/INS combine mediciones con características diferentes. El IMU proporciona mediciones continuas y de alta frecuencia, pero acumula errores con el paso del tiempo. GNSS proporciona una referencia de posición absoluta, pero puede dejar de estar disponible o actualizarse con menos frecuencia. Un filtro de navegación combina estas características complementarias para estimar el estado del vehículo.

El filtro de Kalman se utiliza ampliamente para este tipo de estimación de estado. En aplicaciones prácticas de « INS », el sistema suele emplear un filtro de Kalman extendido (EKF), ya que las ecuaciones que describen el movimiento y la actitud del vehículo son no lineales. El EKF mantiene una estimación del estado de navegación y su incertidumbre mientras procesa las mediciones de los sensores disponibles.

El proceso consta de dos pasos fundamentales: la predicción y la actualización de las mediciones.

Durante la predicción, el filtro utiliza el estado de navegación anterior y las últimas mediciones IMU para estimar el siguiente estado. Además, propaga la incertidumbre asociada. Durante la actualización de las mediciones, el filtro compara las mediciones externas disponibles con el estado predicho. A continuación, utiliza la diferencia, o innovación, para actualizar la estimación del estado y reducir su incertidumbre.

En un sistema de « GNSS » / «INS », las mediciones de GNSS proporcionan las observaciones externas que limitan la deriva inercial. El filtro también puede estimar parámetros como los sesgos del acelerómetro y del giroscopio cuando el modelo del sistema y las mediciones disponibles permiten observar dichos parámetros.

Esta distinción es importante: un filtro de Kalman no se limita a eliminar todos los errores de todos los sensores de a bordo. En cambio, estima el estado de navegación y los estados de error relevantes a partir de un modelo matemático y de las mediciones disponibles. Persisten errores residuales porque las imperfecciones de los sensores, las imprecisiones del modelo y las perturbaciones no observadas no pueden eliminarse por completo.

Cuando GNSS deja de estar disponible, el filtro puede seguir propagando la solución de navegación utilizando mediciones inerciales. Sin embargo, sin una observación externa, el sistema tiene menos oportunidades de restringir sus estados de error. En consecuencia, la incertidumbre aumenta a medida que se prolonga la interrupción. Cuando GNSS las mediciones vuelven a estar disponibles, el filtro las compara con la solución inercial y utiliza la innovación resultante para corregir el estado estimado y los errores acumulados. Esto permite que el sistema GNSS/INS realice una transición fluida entre la navegación asistida por GNSS y la propagación inercial.