Stellar-40 Sistema di navigazione inerziale di livello tattico

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La navigazione a stima è un metodo di navigazione senza GNSS che si basa sull'inerzia e su altri dati dei sensori per mantenere un tracciamento continuo. Di solito, quando GNSS , un sistema perde completamente la sua posizione. Con la navigazione a stima, il sistema calcola una posizione continua che si sposta lentamente nel tempo. La velocità di questo spostamento dipende dalla qualità IMU interna IMU dalla disponibilità di sensori ausiliari esterni.

Lo Stellar-40 utilizza il nostro protocollo proprietario sbgECom, che impiega frame di messaggio chiaramente definiti. Utilizzando questi messaggi predefiniti, il sistema può acquisire senza soluzione di continuità dati aerei (airdata), velocità del corpo e dati di posizione assoluta da qualsiasi sensore esterno in grado di fornire tali informazioni.

No, in quanto non è richiesto. L'algoritmo avanzato di fusione sensoriale dello Stellar-40 calcola e stima automaticamente le condizioni del vento in tempo reale, eliminando la necessità di inserirle manualmente.

Per le piattaforme terrestri, lo Stellar-40 supporta una varietà di input di ausilio per migliorare la precisione di navigazione, specialmente in ambienti privi di GNSS. Questi includono odometri hardware (odometria delle ruote), ausili di velocità da sensori esterni (come LiDAR o sensori ottici) e ausili di posizione assoluta.

La scelta giusta dipende dall'ambiente operativo. Consigliamo vivamente la versione smorzata per piattaforme esposte ad ambienti difficili e soggetti a vibrazioni, come i droni deep strike o i veicoli terrestri senza pilota (UGV). Se non siete sicuri di quale versione sia più adatta alla vostra applicazione, il nostro team di assistenza è a vostra disposizione per aiutarvi a fare la scelta giusta.

Che cos’è l’SBAS?

Il Sistema di potenziamento satellitare (SBAS) è una tecnologia GNSS che migliora la precisione, l’integrità, la disponibilità e la continuità del posizionamento satellitare. Sviluppato inizialmente a supporto dell’aviazione, l’SBAS è diventato un prezioso ausilio alla navigazione per applicazioni quali i velivoli senza pilota (UAV), la navigazione marittima, l’agricoltura di precisione, la mappatura GIS, i veicoli autonomi e i sistemi di navigazione inerziale (INS). A differenza della cinematica in tempo reale (RTK) o del posizionamento puntuale preciso (PPP), l’SBAS offre un posizionamento gratuito con precisione dell’ordine dei metri senza richiedere una stazione base locale o una connessione a Internet.

Un GNSS autonomo determina la propria posizione misurando le pseudodistanze dai satelliti appartenenti a costellazioni quali GPS, Galileo, GLONASS o BeiDou. Tuttavia, queste misurazioni sono soggette a diverse fonti di errore, tra cui la deriva dell’orologio satellitare, gli errori di orbita (effemeridi), il ritardo ionosferico, il ritardo troposferico, il rumore del ricevitore e il multipath. Il sistema SBAS stima continuamente il più grande di questi errori e trasmette correzioni in tempo reale che migliorano significativamente la soluzione di navigazione.

L’architettura SBAS si basa su una rete di stazioni di riferimento sottoposte a rilevamento di precisione, distribuite su un’area geografica. Queste stazioni monitorano continuamente GNSS e confrontano le distanze misurate dai satelliti con le loro posizioni note per stimare gli errori relativi all’orologio del satellite, all’orbita e alla ionosfera. Le misurazioni vengono trasmesse ai centri di controllo principali, che combinano i dati provenienti da tutte le stazioni di riferimento per generare messaggi di correzione e informazioni sull’integrità. Questi messaggi vengono poi inviati ai satelliti geostazionari, che li ritrasmettono ai GNSS compatibili con lo SBAS. Il ricevitore applica le correzioni prima di calcolare la propria posizione, riducendo efficacemente le principali fonti di errore che influenzano le misurazioni della pseudodistanza.

Dal punto di vista matematico, la pseudodistanza corretta può essere espressa come segue:

Pcorretto​ = Pmisurato​ − Δorologio ​− Δorbita​ − Δiono​

dove Pmisurato è la misura pseudodistanza originale, Δclock rappresenta la correzione dell'orologio del satellite, Δorbita​ è la correzione orbitale, e Δiono è la correzione del ritardo ionosferico.

Queste correzioni riducono in genere gli errori di posizionamento GNSS autonomo da circa 3–10 metri a circa 1–2 metri. Sebbene questo livello di precisione sia inferiore alle prestazioni dell’ordine dei centimetri ottenute con RTK o PPP, l’SBAS offre un vantaggio fondamentale: il monitoraggio dell’integrità. Anziché limitarsi a migliorare la precisione della posizione, l’SBAS valuta continuamente lo stato di salute di ogni satellite monitorato e avvisa rapidamente gli utenti se un satellite diventa inaffidabile a causa di anomalie dell’orologio, errori orbitali o degrado del segnale. Questa funzionalità è essenziale per le applicazioni critiche per la sicurezza, in cui gli utenti devono sapere se la soluzione di navigazione è affidabile.

In tutto il mondo sono attivi diversi servizi SBAS regionali. Tra questi figurano il WAAS in Nord America, l’EGNOS in Europa, l’MSAS in Giappone, il GAGAN in India, l’SDCM in Russia, il KASS nella Corea del Sud e il SouthPAN in Australia e Nuova Zelanda. I moderni ricevitori GNSS multifrequenza supportano generalmente più servizi SBAS in modo automatico, a seconda della loro posizione geografica.

Per i sistemi di navigazione inerziale, l’SBAS fornisce un GNSS più accurato e affidabile che migliora le prestazioni della fusione dei sensori. Un filtro di Kalman esteso (EKF) utilizza le misurazioni corrette GNSS e velocità GNSS per limitare periodicamente la deriva accumulata dai sensori inerziali. Rispetto al GNSS autonomo, l’SBAS riduce il rumore di misura e gli scostamenti legati ai satelliti, garantendo aggiornamenti di posizione e velocità più stabili e fornendo al contempo preziose informazioni sull’integrità per gli algoritmi di navigazione. Tuttavia, l’SBAS non aumenta la frequenza GNSS e non è in grado di compensare GNSS . Durante le interruzioni del segnale, le prestazioni complessive di navigazione dipendono comunque principalmente dalla qualità IMU dall’efficacia dell’algoritmo INS .

L'SBAS rappresenta quindi un'ottima soluzione per le applicazioni che richiedono un posizionamento gratuito, disponibile a livello globale con precisione dell'ordine dei metri, caratterizzato da elevata affidabilità e integrità. È particolarmente indicato per veicoli autonomi, UAV, navigazione marittima, agricoltura e sistemi industriali in cui una navigazione robusta è più importante del raggiungimento di una precisione dell'ordine dei centimetri. Quando le applicazioni richiedono un posizionamento di livello topografico, l'RTK o il PPP rimangono le tecniche di correzione preferite, mentre l'SBAS funge da potenziamento affidabile e ampiamente disponibile della GNSS convenzionale.

In che modo i sistemi di navigazione inerziale mantengono il posizionamento durante le interruzioni dell'GNSS

1 – Sistemi di navigazione inerziale e integrazione con l’ GNSS

Un sistema di navigazione inerziale (INS) determina la posizione, la velocità e l'orientamento sulla base delle misurazioni inerziali effettuate a bordo. Il cuore del sistema è costituito da un'unità di misura inerziale (IMU), che combina tre accelerometri e tre giroscopi. Gli accelerometri misurano la forza specifica, mentre i giroscopi misurano la velocità angolare lungo tre assi ortogonali.

Il computer di navigazione elabora queste misurazioni a un’elevata frequenza. Innanzitutto, integra le misurazioni del giroscopio per stimare le variazioni di assetto. Successivamente, trasforma l’accelerazione misurata nel sistema di riferimento di navigazione e compensa gli effetti della gravità e altri effetti noti. Infine, integra l’accelerazione per stimare la velocità e la posizione. Questo processo consente all’ INS e di elaborare una soluzione di navigazione continua senza fare affidamento su segnali esterni.

Quando è disponibile il sistema di riferimento esterno ( GNSS ), il sistema di riferimento a inerte ( INS ) opera in genere come parte di una soluzione integrata di posizionamento (GNSS) e misurazione del movimento (INS ). Il sistema di riferimento esterno ( GNSS ) fornisce un riferimento esterno per la posizione e la velocità, mentre il sistema di riferimento a inerte ( IMU ) fornisce misurazioni del movimento ad alta frequenza. Il filtro di navigazione combina entrambe le fonti per stimare lo stato del veicolo e limitare gli errori inerziali.

Quando i segnali del sistema di navigazione satellitare ( GNSS ) non sono più disponibili, il sistema passa alla propagazione inerziale, spesso definita “navigazione a stima”. Il sistema di gestione della navigazione ( INS ) continua a integrare le misurazioni del giroscopio e dell’accelerometro relative all’ultimo stato di navigazione noto. Di conseguenza, è in grado di mantenere la produzione continua di dati relativi a posizione, velocità e assetto durante l’interruzione del segnale.

Tuttavia, la navigazione inerziale non elimina gli errori di posizionamento durante un'interruzione di alimentazione. Gli errori di offset dei sensori, il rumore, gli errori di fattore di scala, il disallineamento e altre imperfezioni si accumulano attraverso l'integrazione. In particolare, gli errori degli accelerometri influenzano la velocità e, di conseguenza, la posizione, mentre gli errori dei giroscopi influenzano l'assetto e possono introdurre ulteriori errori di posizione a causa di una compensazione errata della gravità.

Pertanto, la durata e l’entità di un’interruzione del sistema “ GNSS ” influenzano direttamente l’incertezza di posizione che ne deriva. I sensori inerziali più performanti riducono l’aumento dell’errore e consentono al sistema di superare interruzioni più lunghe prima che la deriva accumulata diventi significativa.

Con quasi due decenni di esperienza nella progettazione e nella produzione di sensori inerziali, SBG Systems sviluppa tecnologie IMU e INS progettate per garantire prestazioni di navigazione affidabili quando la disponibilità di GNSS è limitata o interrotta.

2 – Filtro di Kalman e fusione dei dati dei sensori

La fusione dei sensori consente a un sistema GNSS/INS di combinare misurazioni con caratteristiche diverse. Il IMU fornisce misurazioni continue e ad alta frequenza, ma accumula errori nel tempo. Il GNSS fornisce un riferimento di posizione assoluto, ma può diventare indisponibile o aggiornarsi con minore frequenza. Un filtro di navigazione combina queste caratteristiche complementari per stimare lo stato del veicolo.

Il filtro di Kalman è ampiamente utilizzato per questo tipo di stima dello stato. Nelle applicazioni pratiche di “ INS ”, il sistema utilizza comunemente un filtro di Kalman esteso (EKF), poiché le equazioni che descrivono il movimento e l’assetto del veicolo sono non lineari. L’EKF mantiene una stima dello stato di navigazione e della sua incertezza mentre elabora le misurazioni provenienti dai sensori disponibili.

Il processo si articola in due fasi fondamentali: la previsione e l'aggiornamento delle misurazioni.

Durante la previsione, il filtro utilizza lo stato di navigazione precedente e le ultime misurazioni IMU per stimare lo stato successivo. Inoltre, propaga l'incertezza associata. Durante l'aggiornamento delle misurazioni, il filtro confronta le misurazioni esterne disponibili con lo stato previsto. Utilizza quindi la differenza, o innovazione, per aggiornare la stima dello stato e ridurne l'incertezza.

In un sistema " GNSS" / "INS ", le misurazioni di GNSS forniscono le osservazioni esterne che vincolano la deriva inerziale. Il filtro può inoltre stimare parametri quali gli errori sistematici dell'accelerometro e del giroscopio, qualora il modello del sistema e le misurazioni disponibili rendano tali parametri osservabili.

Questa distinzione è importante: un filtro di Kalman non si limita a eliminare ogni errore da ogni sensore di bordo. Piuttosto, stima lo stato di navigazione e gli stati di errore rilevanti sulla base di un modello matematico e delle misurazioni disponibili. Gli errori residui permangono perché le imperfezioni dei sensori, le imprecisioni del modello e i disturbi non osservati non possono essere eliminati completamente.

Quando GNSS non è disponibile, il filtro può continuare a propagare la soluzione di navigazione utilizzando le misurazioni inerziali. Tuttavia, in assenza di un’osservazione esterna, il sistema ha minori possibilità di vincolare i propri stati di errore. Di conseguenza, l’incertezza aumenta con il protrarsi dell’interruzione. Quando le misurazioni GNSS tornano disponibili, il filtro le confronta con la soluzione inerziale e utilizza l’innovazione risultante per correggere lo stato stimato e gli errori accumulati. Ciò consente al sistema GNSS/INS di passare agevolmente dalla navigazione assistita da GNSS alla propagazione inerziale.