Stellar-40 Système de navigation inertielle de qualité tactique

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Comment les systèmes de navigation inertielle maintiennent le positionnement en cas de pannes GNSS

1 – Intégration des systèmes de navigation inertielle et du GNSS

Un système de navigation inertielle (INS) détermine la position, la vitesse et l'orientation à partir de mesures inertielles embarquées. Au cœur de ce système, une unité de mesure inertielle (IMU) associe trois accéléromètres et trois gyroscopes. Les accéléromètres mesurent la force spécifique, tandis que les gyroscopes mesurent la vitesse angulaire le long de trois axes orthogonaux.

L'ordinateur de navigation traite ces mesures à haute fréquence. Tout d'abord, il intègre les mesures des gyroscopes pour estimer les variations d'attitude. Il transforme ensuite l'accélération mesurée dans le repère de navigation et compense la gravité ainsi que les autres effets connus. Enfin, il intègre l'accélération pour estimer la vitesse et la position. Ce processus permet à l'INS de propager une solution de navigation continue sans dépendre de signaux externes.

Lorsque le GNSS est disponible, l'INS fonctionne généralement dans le cadre d'une solution GNSS/INS intégrée. Le GNSS fournit une référence externe pour la position et la vitesse, tandis que l'IMU fournit des mesures de mouvement à haute fréquence. Le filtre de navigation combine ces deux sources pour estimer l'état du véhicule et limiter les erreurs inertielles.

Lorsque les signaux GNSS ne sont plus disponibles, le système bascule sur la propagation inertielle, souvent appelée estimes. L'INS continue d'intégrer les mesures des gyroscopes et des accéléromètres à partir du dernier état de navigation connu. Par conséquent, il est capable de maintenir des sorties continues de position, de vitesse et d'attitude pendant la coupure.

Cependant, la navigation inertielle n'élimine pas les erreurs de positionnement lors d'une coupure. Le biais des capteurs, le bruit, les erreurs de facteur d'échelle, le désalignement et d'autres imperfections s'accumulent au fil de l'intégration. En particulier, les erreurs des accéléromètres affectent la vitesse puis la position, tandis que les erreurs des gyroscopes affectent l'attitude et peuvent introduire des erreurs de position supplémentaires par le biais d'une compensation de la gravité erronée.

Par conséquent, la durée et l'ampleur d'une coupure GNSS influencent directement l'incertitude de position qui en résulte. Des capteurs inertiels plus performants réduisent la croissance des erreurs et permettent au système de combler des coupures plus longues avant que la dérive accumulée ne devienne significative.

Forte de près de deux décennies d'expérience dans la conception et la fabrication de capteurs inertiels, SBG Systems développe des technologies d'IMU et d'INS conçues pour offrir des performances de navigation fiables lorsque la disponibilité du GNSS est limitée ou interrompue.

2 – Filtrage de Kalman et fusion de capteurs

La fusion de capteurs permet à un système GNSS/INS de combiner des mesures aux caractéristiques différentes. L'IMU fournit des mesures continues à haute fréquence, mais accumule des erreurs au fil du temps. Le GNSS fournit une référence de position absolue, mais peut devenir indisponible ou se mettre à jour moins fréquemment. Un filtre de navigation combine ces caractéristiques complémentaires pour estimer l'état du véhicule.

Le filtre de Kalman est largement utilisé pour ce type d'estimation d'état. Dans les applications INS pratiques, le système utilise couramment un filtre de Kalman étendu (EKF) car les équations décrivant le mouvement et l'attitude du véhicule sont non linéaires. L'EKF maintient une estimation de l'état de navigation et de son incertitude tout en traitant les mesures provenant des capteurs disponibles.

Le processus se compose de deux étapes fondamentales : la prédiction et la mise à jour de la mesure.

Pendant la prédiction, le filtre utilise l'état de navigation précédent et les dernières mesures de l'IMU pour estimer l'état suivant. Il propage également l'incertitude associée. Lors de la mise à jour de la mesure, le filtre compare les mesures externes disponibles avec l'état prédit. Il utilise ensuite la différence, ou innovation, pour actualiser l'estimation d'état et réduire son incertitude.

Dans un système GNSS/INS, les mesures GNSS fournissent les observations externes qui limitent la dérive inertielle. Le filtre peut également estimer des paramètres tels que les biais des accéléromètres et des gyroscopes lorsque le modèle du système et les mesures disponibles rendent ces paramètres observables.

Cette distinction est importante : un filtre de Kalman ne se contente pas de supprimer toutes les erreurs de chaque capteur embarqué. Il estime plutôt l'état de navigation et les états d'erreur pertinents à partir d'un modèle mathématique et des mesures disponibles. Des erreurs résiduelles subsistent car les imperfections des capteurs, les imprécisions des modèles et les perturbations non observées ne peuvent pas être entièrement éliminées.

Lorsque le GNSS devient indisponible, le filtre peut continuer à propager la solution de navigation en utilisant les mesures inertielles. Cependant, en l'absence d'observation externe, le système dispose de moins d'occasions pour contraindre ses états d'erreur. Par conséquent, l'incertitude augmente à mesure que la coupure se prolonge. Lorsque les mesures GNSS redeviennent disponibles, le filtre les compare à la solution inertielle et utilise l'innovation qui en résulte pour corriger l'état estimé et les erreurs accumulées. Cela permet au système GNSS/INS de passer de manière fluide de la navigation aidée par GNSS à la propagation inertielle.