Navigation inertielle pour les UAV de défense

Nos solutions sont parfaitement adaptées à l'intégration avec différents types d'UAV de défense, offrant une polyvalence et une adaptabilité pour différents besoins opérationnels. Nos capteurs de mouvement et de navigation apportent une détection tactique à vos systèmes sans compromis sur le SWaP-C ! Ils sont particulièrement adaptés à une utilisation par les intégrateurs.

Pour les UAV qui dépendent du GNSS, nos récepteurs GNSS à double antenne offrent une précision exceptionnelle. Ceci est bénéfique pour la navigation de surface et facilite la transition entre la navigation aérienne et terrestre. De plus, tous les capteurs prennent en charge divers protocoles de communication tels que RS-232, CAN et Ethernet, permettant une intégration transparente avec les systèmes UAV.

Enfin, il est possible d'intégrer des solutions de positionnement externes telles que DVL, ou d'autres aides à la navigation pour fournir des données précises de roulis, de tangage, de cap et d'altitude. Cela améliore la navigation dans les environnements où les signaux GNSS peuvent être faibles ou indisponibles.

Chez SBG Systems, garantir les normes de qualité les plus élevées pour nos centrales de mesure inertielle (IMU) implique un processus méticuleux. Nous commençons par la sélection optimale de composants MEMS haut de gamme, en nous concentrant sur des accéléromètres et des gyroscopes fiables qui répondent à nos exigences de qualité strictes. Nos IMU sont logées dans des boîtiers robustes conçus pour résister aux vibrations et aux conditions environnementales, garantissant ainsi la durabilité et les performances.

Notre processus d'étalonnage automatisé implique une table à 2 axes et couvre des plages de température de -40°C à 85°C. Cet étalonnage compense divers facteurs, notamment les biais, les effets inter-axes, le défaut d'alignement, les facteurs d'échelle et les non-linéarités des accéléromètres et des gyroscopes, garantissant ainsi des performances constantes dans toutes les conditions météorologiques.

Notre processus de qualification implique en outre un contrôle interne strict pour garantir que seuls les capteurs répondant à nos spécifications poursuivent la production. Chaque IMU est accompagnée d'un rapport d'étalonnage détaillé et est garantie deux ans. Cette approche rigoureuse garantit une qualité, une fiabilité et des performances constantes dans le temps, offrant ainsi des IMU supérieures pour la défense et d'autres applications critiques.

Nous effectuons également des tests environnementaux et d'endurance approfondis pour garantir la fiabilité. Certains de nos capteurs répondent à plusieurs normes MIL-STD, garantissant la résistance aux chocs, aux vibrations et aux conditions extrêmes.

Le contrôle des délais de sortie dans les opérations UAV est essentiel pour garantir des performances réactives, une navigation précise et une communication efficace, en particulier dans les applications de défense ou critiques.

La latence de sortie est un aspect important dans les applications de contrôle en temps réel, où une latence de sortie plus élevée pourrait dégrader les performances des boucles de contrôle. Notre logiciel embarqué INS a été conçu pour minimiser la latence de sortie : une fois que les données des capteurs sont échantillonnées, le Filtre de Kalman étendu (EKF) effectue des calculs faibles et à temps constant avant que les sorties ne soient générées. Généralement, le délai de sortie observé est inférieur à une milliseconde.

Le temps de latence du traitement doit être ajouté au temps de latence de la transmission des données si vous souhaitez obtenir le délai total. Ce temps de latence de transmission varie d'une interface à l'autre. Par exemple, un message de 50 octets envoyé sur une interface UART à 115200 bps prendra 4 ms pour une transmission complète. Envisagez des débits en bauds plus élevés pour minimiser la latence de sortie.

PNT signifie Positionnement, Navigation et Synchronisation (Timing) — les trois piliers fondamentaux qui permettent tout système moderne de navigation ou de coordination, que ce soit dans l'aérospatiale, la défense, le maritime, les véhicules autonomes ou les infrastructures critiques.

Voici une ventilation claire :

1. Positionnement

Cela répond à la question : “Où suis-je ?”
Il fournit des coordonnées géographiques précises (latitude, longitude, altitude). Généralement dérivé du GNSS (GPS, Galileo, GLONASS, BeiDou) ou de l'INS lorsque le GNSS n'est pas disponible.

Essentiel pour le suivi, le guidage, la cartographie et la connaissance de la situation.

2. Navigation

Cela répond à la question : “Comment me déplacer de A à B ?”
Cela implique de déterminer la direction, la vitesse et la trajectoire pour atteindre une destination en toute sécurité et efficacement. Cela comprend la vélocité, le cap et l'attitude (roulis, tangage, lacet).

Souvent réalisé à l'aide d'IMU/INS, d'algorithmes de fusion de capteurs, d'odométrie ou de navigation basée sur le GNSS.

3. Synchronisation (Timing)

Cela répond à la question : “Quelle heure est-il, précisément ?”
Un temps précis et synchronisé est essentiel pour la coordination des systèmes et des signaux. Une synchronisation de haute précision sous-tend les réseaux de communication, les systèmes militaires, les réseaux électriques et le GNSS lui-même.

Même des erreurs de l'ordre de la microseconde peuvent provoquer des défaillances dans les communications, les liaisons de données ou la géolocalisation.

Pourquoi le PNT est-il important ?

Le PNT est au cœur de tout système autonome ou guidé moderne — qu'il s'agisse de missiles, d'UAV, de véhicules, d'USV, d'AUV ou même de réseaux de téléphonie cellulaire. Lorsque le GNSS est dégradé ou indisponible, les systèmes inertiels (IMU/INS) deviennent l'épine dorsale d'un PNT résilient.

Les Unités de Mesure Inertielle (IMU) sont des dispositifs sophistiqués qui mesurent et fournissent des données sur la force spécifique d'un corps, sa vitesse angulaire, et parfois l'orientation de son champ magnétique. Les IMU constituent des éléments essentiels dans diverses applications, notamment la navigation, la robotique et le suivi de mouvement. Voici un aperçu plus détaillé de leurs principales caractéristiques et fonctions :

• Accéléromètres : Mesurent l’accélération linéaire le long d’un ou plusieurs axes. Ils fournissent des données sur la vitesse à laquelle un objet accélère ou ralentit et peuvent détecter les changements de mouvement ou de position.
• Gyroscopes: Mesurent la vitesse angulaire, ou le taux de rotation autour d'un axe spécifique. Ils aident à déterminer les changements d'orientation, permettant aux dispositifs de maintenir leur position par rapport à un référentiel.
• Magnétomètres (en option) : Certaines IMU intègrent des magnétomètres, qui mesurent l'intensité et la direction des champs magnétiques. Ces données permettent de déterminer l'orientation de l'appareil par rapport au champ magnétique terrestre, améliorant ainsi la précision de la navigation.

Les IMU fournissent des données continues sur le mouvement d'un objet, ce qui permet de suivre en temps réel sa position et son orientation. Ces informations sont essentielles pour des applications telles que les drones, les véhicules et la robotique.

Dans des applications telles que les nacelles de caméra ou les UAV, les IMU aident à stabiliser les mouvements en compensant les mouvements ou vibrations indésirables, ce qui permet des opérations plus fluides.

La navigation à l'estime en aviation est une méthode de navigation traditionnelle qui estime la position actuelle d'un aéronef en projetant sa dernière position connue vers l'avant en utilisant des paramètres mesurés ou supposés tels que le cap, la vitesse anémométrique, le temps et les facteurs environnementaux comme le vent.

Au lieu de s'appuyer sur des références externes—telles que les radiobalises, les satellites GNSS ou les repères visuels—, la navigation à l'estime utilise les propres informations de mouvement de l'aéronef pour calculer où il devrait se trouver maintenant par rapport à son point de départ. Le pilote ou le système de navigation embarqué commence avec un point de repère connu, puis applique le cap vrai et la vitesse anémométrique réelle de l'aéronef sur un intervalle de temps donné pour calculer une nouvelle position estimée.

Cependant, comme l'aéronef se déplace dans une masse d'air affectée par le vent, le calcul doit intégrer la direction et la vitesse du vent ; sinon, la trajectoire calculée s'écartera de la trajectoire réelle.

Dans l'aviation moderne, les systèmes de navigation inertielle améliorent le cheminement à l'estime en utilisant des accéléromètres et des gyroscopes pour mesurer les accélérations linéaires et les vitesses de rotation, intégrant continuellement ces mesures pour estimer la vitesse, l'attitude et la position. Bien que ce cheminement à l'estime inertiel améliore considérablement l'indépendance vis-à-vis des signaux externes, il accumule néanmoins des erreurs au fil du temps en raison des biais des capteurs et du bruit. Pour cette raison, le cheminement à l'estime basé sur l'INS est souvent associé au GNSS ou à d'autres sources d'aide pour limiter la dérive et maintenir une précision à long terme.

Malgré ces limitations, la navigation à l'estime reste essentielle pour assurer la continuité de la navigation pendant les pannes GNSS, les missions de silence radio ou les opérations dans des environnements où les références externes ne sont pas fiables ou refusées.

Systèmes de navigation inertielle pour drones autonomes et Défense

Les drones autonomes et les plateformes de défense doivent maintenir une navigation stable lorsque les signaux GNSS deviennent indisponibles, dégradés ou brouillés. Dans ces conditions, les systèmes de navigation inertielle fournissent des mesures continues du mouvement et de l'orientation sans dépendre exclusivement des signaux de positionnement externes.

Un système de navigation inertielle associe des gyroscopes et des accéléromètres à des algorithmes de navigation pour estimer l'attitude, la vitesse et la position. Lorsque le GNSS reste disponible, la fusion de capteurs peut l'utiliser pour limiter la dérive inertielle. Lorsque le GNSS devient indisponible, le système poursuit la navigation grâce aux mesures inertielles et à la navigation à estimes.

1 – Navigation dans les environnements privés de GPS

Les drones modernes peuvent être confrontés à des conditions privées de GNSS en raison d'obstructions de signaux, d'interférences ou de brouillages délibérés. Par conséquent, les plateformes autonomes ont besoin de technologies de navigation capables de continuer à fournir des informations de mouvement et d'attitude sans positionnement satellitaire continu.

Un INS mesure le mouvement angulaire et l'accélération linéaire du véhicule. Le processeur de navigation intègre ensuite ces mesures pour estimer l'orientation, la vitesse et la position du véhicule. Ce processus fournit une forme de navigation à estimes qui ne nécessite pas de signal de position externe.

Pour les drones, cette capacité garantit le maintien du contrôle du vol lorsque le GNSS n'est plus disponible. L'INS peut continuer à fournir des données d'attitude et de mouvement au système de commande de vol tandis que les autres sources de navigation font défaut.

Le même principe s'applique aux systèmes sans pilote évoluant en environnements contestés. La navigation inertielle permet aux plateformes autonomes de maintenir leur cap lorsque le GPS ou d'autres signaux externes deviennent indisponibles. De plus, les architectures INS aidées par GNSS associent les mesures inertielles à des références externes afin de limiter l'accumulation des erreurs de navigation.

Cependant, un INS n'élimine pas la dérive de navigation. Les petites erreurs des capteurs s'accumulent au cours de l'intégration, de sorte que l'incertitude de position augmente généralement lorsque le système fonctionne sans corrections externes. La qualité des capteurs revêt donc une importance particulière pour les missions nécessitant une autonomie prolongée en environnement privé de GNSS.

Cela explique pourquoi les ingénieurs évaluent les performances des capteurs inertiels en fonction de l'environnement de mission prévu. La stabilité de la dérive du gyroscope, la dérive de l'accéléromètre, le bruit de mesure, la fréquence de mise à jour, les vibrations, la température et l'intégration mécanique peuvent tous influencer les performances de navigation.

2 – Sélection des capteurs de navigation pour les missions autonomes

La sélection d'un capteur inertiel commence par les exigences de la mission plutôt que par la seule catégorie de capteur. Les drones autonomes, les systèmes guidés et d'autres plateformes peuvent imposer des exigences très différentes en matière de précision, de SWaP, de dynamique, de résistance aux vibrations et d'intégration GNSS.

Une IMU fournit les mesures inertielles fondamentales à partir des gyroscopes et des accéléromètres. Un AHRS traite ces mesures pour fournir des informations d'attitude. Un INS combine les mesures inertielles avec le traitement de navigation et, selon l'architecture, une aide externe telle que le GNSS.

La catégorie du capteur influe également sur la rapidité avec laquelle les erreurs de navigation s'accumulent lors des pannes de GNSS. Les capteurs inertiels les plus performants offrent généralement une instabilité de dérive et un bruit de mesure plus faibles. Cependant, les ingénieurs doivent concilier ces caractéristiques avec la taille, le poids, la consommation d'énergie, le coût et les exigences d'intégration.

Nos IMU MEMS sont idéales pour les applications de guidage, de navigation et de stabilisation de plateformes, y compris les roquettes guidées, les bombes planantes et les projectiles.

L'intégration a également son importance. Le capteur doit fournir des données à une fréquence appropriée et communiquer efficacement avec l'ordinateur de vol de la plateforme, le logiciel de navigation et les autres capteurs. Le montage mécanique peut également affecter les performances, car les vibrations et la dynamique structurelle peuvent introduire des erreurs de mesure supplémentaires.

Pour les missions de drones autonomes, les ingénieurs doivent donc évaluer :

• La stabilité de la dérive du gyroscope pour des performances inertielles à long terme.
• Les performances de l'accéléromètre pour l'estimation de la vitesse et de la position.
• Le bruit de mesure pour la stabilité de navigation à court terme.
• La fréquence de mise à jour et la latence pour des boucles de contrôle réactives.
• L'atténuation des vibrations pour les cellules à forte dynamique.
• Les performances en température sur toute la plage opérationnelle.
• Le SWaP pour l'intégration dans le volume disponible de la plateforme.
• L'intégration GNSS lorsque l'aide satellitaire reste disponible.
• Les interfaces et les logiciels pour l'intégration avec l'architecture du véhicule.

La distinction entre les catégories de capteurs devient particulièrement importante lorsqu'une mission requiert une continuité de navigation pendant les pannes de GNSS. Les systèmes MEMS compacts peuvent convenir aux plateformes contraintes par le SWaP, tandis que les systèmes tactiques plus performants offrent une stabilité inertielle accrue pour les applications exigeantes.

3 – INS de haute précision pour les opérations BVLOS et ISR

Au-delà de la vue directe (BVLOS) et de l'intelligence, de la surveillance et de la reconnaissance (ISR), les missions imposent des exigences supplémentaires aux systèmes de navigation. Ces plateformes peuvent opérer sur de grandes zones et nécessiter des données d'attitude et de navigation stables tout au long de vols prolongés.

L'INS doit prendre en charge l'architecture de commande de vol de l'aéronef tout en fournissant des informations de navigation cohérentes aux charges utiles et aux systèmes de mission. Cette exigence fait de l'intégration des capteurs un élément important de l'architecture globale de navigation.

Un INS de qualité tactique peut combiner des capteurs inertiels haute performance avec une aide GNSS et des algorithmes de navigation embarqués. Lorsque le GNSS est disponible, le filtre de navigation peut utiliser les mesures satellitaires pour limiter la dérive inertielle. En cas de panne du GNSS, le système peut continuer à utiliser les mesures inertielles jusqu'à ce que l'aide externe soit à nouveau disponible.

La catégorie de capteur requise dépend de la durée de la mission, de la dynamique de la plateforme, de la durée prévue de la panne et de l'erreur de navigation acceptable. Les ingénieurs doivent donc définir ces paramètres avant de sélectionner une IMU ou un INS.

SBG Systems développe des capteurs de navigation inertielle pour les applications nécessitant des données précises d'attitude, de mouvement et de navigation. Sa gamme de produits comprend des IMU, des AHRS/MRU et des solutions INS aidées par GNSS pour les plateformes autonomes et exigeantes.

Pour les applications de drones autonomes et de défense, l'objectif n'est pas simplement de sélectionner un capteur inertiel doté de spécifications élevées. Les ingénieurs doivent plutôt adapter les performances du capteur, son intégration et ses caractéristiques environnementales à l'architecture complète de navigation.

Le résultat est un système de navigation conçu en fonction des contraintes réelles de la mission, notamment la disponibilité du GNSS, la dynamique, les vibrations, les critères SWaP et la précision de navigation requise.

Points clés

1. L'INS fournit des mesures continues de mouvement et d'attitude lorsque le GNSS n'est pas disponible.
2. L'estime de position (dead reckoning) permet aux plates-formes autonomes de poursuivre leur navigation lors de pannes GNSS.
3. Les erreurs inertielles s'accumulent au fil du temps, ce qui rend les performances des capteurs critiques lors d'interruptions prolongées.
4. La stabilité de la dérive des gyroscopes et le bruit de mesure influent fortement sur les performances de navigation inertielle.
5. L'intégration des capteurs, les vibrations, la température, le SWaP et les interfaces affectent également les performances au niveau du système.
6. Un INS de qualité tactique peut prendre en charge des applications autonomes exigeantes lorsque les exigences de la mission dépassent celles des capteurs de navigation conventionnels.