L'accoppiamento stretto rappresenta una strategia avanzata di fusione dei dati, fondamentale per un'integrazione robusta e ad alta precisione tra il Sistema Globale di Navigazione via Satellite (GNSS) e il Sistema di Navigazione Inerziale (INS). Questo approccio combina i punti di forza di entrambi i sistemi — la stabilità a lungo termine del GNSS la precisione a breve termine e ad alta frequenza INS— fondendo le loro misurazioni principali direttamente all'interno di un unico stimatore, in genere un filtro di Kalman. Le prestazioni migliorano notevolmente, specialmente quando GNSS sono parzialmente bloccati o degradati.
GNSS determinano la posizione misurando il tempo impiegato dai segnali per viaggiare da più satelliti. Questo processo fornisce determinazioni di posizione assolute con un’accuratezza che dipende dalla visibilità dei satelliti e dalla geometria. Tuttavia, GNSS suscettibile a interruzioni del segnale in ambienti come i canyon urbani o le foreste, il che porta a lacune nei dati e alla perdita di navigazione (deriva).
I sistemi a accoppiamento stretto utilizzano le misurazioni dei parametri dei segnali ausiliari per mitigare la deriva in un INS. Rispetto ai sistemi a accoppiamento debole, l’accoppiamento stretto aggiorna gli stati di errore INS, anche quando GNSS insufficienti impediscono di determinare una posizione. Questa situazione si verifica quando sono visibili meno di quattro GNSS , rendendo impossibile determinare una soluzione di posizione utilizzando esclusivamente GNSS .
Nei sistemi a accoppiamento debole, questa situazione causa un’interruzione completa dei dati. Tuttavia, i sistemi a accoppiamento stretto possono utilizzare GNSS limitate, il che consente loro di mitigare parzialmente la deriva INS .
Per raggiungere questo obiettivo, i sistemi a accoppiamento stretto devono calibrare IMU Unità di Misura Inerziale) in tempo reale, concentrandosi in particolare sui periodi in cui il GNSS non è ostacolato. Questa calibrazione garantisce una conoscenza precisa del IMU e addestra IMU anticipare la posizione futura GNSS (modellizzazione anticipatoria).
Consentendo IMU valutare la validità e la precisione GNSS e IMU selezionare il GNSS che corrisponde alla sua previsione, il sistema stabilisce una forte connessione tra IMU GNSS.
L'architettura a accoppiamento stretto
Il concetto fondamentale dell'accoppiamento stretto consiste nell'utilizzare le misurazioni di pseudorange e fase portante GNSS direttamente nella fase di aggiornamento dell'osservazione del Filtro di Kalman. Questo rappresenta un notevole scostamento dall'accoppiamento lasco, dove il Filtro di Kalman utilizza la soluzione di posizione e velocità GNSS autonoma e completamente elaborata.
In un sistema ad accoppiamento stretto, il vettore di stato del Filtro di Kalman include tipicamente gli stati di errore dell'INS:
- Errori di posizione (δr)
- Errori di velocità (δv)
- Errori di assetto (𝛙)
- Bias dei sensori IMU (accelerometro e giroscopio)
Il Filtro di Kalman utilizza le equazioni di meccanizzazione INS per la fase di propagazione temporale (predizione). Questo processo propaga gli stati INS in avanti utilizzando i dati IMU ad alta frequenza.
Vantaggi dell'accoppiamento stretto
L'accoppiamento stretto offre numerosi potenti vantaggi, in particolare per le applicazioni di post-elaborazione dove tutti i dati dei sensori sono disponibili dopo la missione. A differenza dell'accoppiamento lasco (loose coupling), che richiede una soluzione da almeno quattro satelliti GNSS per calcolare una posizione 3D, l'accoppiamento stretto necessita di un solo satellite visibile. Con una singola misurazione di pseudodistanza, il filtro di Kalman può comunque derivare un vettore di correzione dell'errore che limita efficacemente la deriva dell'INS. Questa capacità è vitale in aree parzialmente ostruite.
Utilizzando le misurazioni GNSS grezze, il filtraggio può modellare e stimare direttamente il bias dell'orologio del ricevitore GNSS all'interno del vettore di stato. Questo profondo livello di integrazione porta a una soluzione di navigazione complessiva più accurata e precisa, specialmente quando si combinano le misurazioni della fase portante per tecniche di post-elaborazione Real-Time Kinematic (RTK) o Precise Point Positioning (PPP).
Il processo di correzione integrato e senza interruzioni garantisce una qualità di navigazione più fluida e coerente. Gli algoritmi ponderano in modo ottimale i dati INS ad alta precisione con le osservazioni GNSS spesso rumorose. Durante le interruzioni GNSS, l'INS ben calibrato (grazie alla stima continua del bias) fornisce una soluzione di dead reckoning superiore.
La post-elaborazione implica un filtraggio in avanti e all'indietro. I dati vengono prima elaborati cronologicamente (filtro in avanti). Quindi, un filtro all'indietro elabora i dati in ordine inverso, utilizzando le stime finali in avanti come condizioni iniziali. Un livellatore a intervallo fisso (ad esempio, il livellatore di Rauch-Tung-Striebel) livella i risultati di entrambi i filtri. Questo passaggio di livellamento fornisce la soluzione di traiettoria più accurata e statisticamente ottimale, sfruttando tutti i dati disponibili lungo l'intera cronologia della missione. Ciò rende l'accoppiamento stretto uno standard d'oro per applicazioni ad alta precisione come la mappatura e il rilevamento.
