Stellar-40 Sistema di navigazione inerziale di livello tattico

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Il dead reckoning è un metodo di navigazione senza segnali GNSS che si basa sull'inerzia e sui dati di altri sensori per mantenere un tracciamento continuo. Di solito, quando si perde il GNSS, un sistema perde completamente la sua posizione. Con il dead reckoning, il sistema calcola una posizione continua che subirà una leggera deriva nel tempo. La velocità di questa deriva dipende dalla qualità dell'IMU interna e dalla disponibilità di sensori di supporto esterni.

L'Stellar-40 utilizza il nostro protocollo proprietario sbgECom, che si avvale di frame di messaggi chiaramente definiti. Grazie a questi messaggi predefiniti, il sistema è in grado di acquisire senza soluzione di continuità dati aerodinamici, velocità del corpo e dati di posizione assoluta da qualsiasi sensore esterno in grado di fornire tali informazioni.

No, poiché non è necessario. L’algoritmo avanzato di fusione dei sensori dell’ Stellar-40 calcola e stima automaticamente le condizioni del vento in tempo reale, eliminando la necessità di inserirle manualmente.

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

La scelta giusta dipende dal vostro ambiente operativo. Consigliamo vivamente la versione smorzata per piattaforme esposte a condizioni ambientali difficili e soggette a vibrazioni, come i droni da attacco in profondità 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?

Satellite-Based Augmentation System (SBAS) è una tecnologia di potenziamento GNSS che migliora l'accuratezza, l'integrità, la disponibilità e la continuità del posizionamento satellitare. Inizialmente sviluppato per supportare l'aviazione, l'SBAS è diventato un prezioso ausilio alla navigazione per applicazioni quali UAV, navigazione marittima, agricoltura di precisione, mappatura GIS, veicoli autonomi e sistemi di navigazione inerziale (INS). A differenza del Real-Time Kinematic (RTK) o del Precise Point Positioning (PPP), l'SBAS fornisce un posizionamento gratuito a livello di metro senza richiedere una stazione di riferimento locale o una connessione Internet.

Un ricevitore GNSS autonomo determina la propria posizione misurando le pseudodistanze dai satelliti appartenenti a costellazioni come GPS, Galileo, GLONASS o BeiDou. Tuttavia, queste misurazioni sono influenzate da diverse fonti di errore, tra cui la deriva dell'orologio del satellite, gli errori orbitali (effemeridi), il ritardo ionosferico, il ritardo troposferico, il rumore del ricevitore e i percorsi multipli (multipath). 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 rilevate con precisione e distribuite in una regione. Queste stazioni monitorano continuamente i segnali GNSS e confrontano le distanze satellitari misurate con le loro posizioni note per stimare gli errori di clock, orbita e ionosferici del satellite. Le misurazioni vengono trasmesse ai centri di controllo principali, che combinano i dati di tutte le stazioni di riferimento per generare messaggi di correzione e informazioni sull'integrità. Questi messaggi vengono quindi inviati tramite uplink a satelliti geostazionari che li ritrasmettono ai ricevitori GNSS abilitati SBAS. Il ricevitore applica le correzioni prima di calcolare la sua 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:

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

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

Queste correzioni riducono tipicamente gli errori di posizionamento orizzontale GNSS autonomo da circa 3-10 metri a circa 1-2 metri. Sebbene questo livello di precisione sia inferiore alle prestazioni a livello centimetrico ottenute con RTK o PPP, SBAS offre un vantaggio fondamentale: il monitoraggio dell'integrità. Piuttosto che limitarsi a migliorare la precisione della posizione, 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 del clock, errori orbitali o degrado del segnale. Questa capacità è essenziale per le applicazioni critiche per la sicurezza, in cui gli utenti devono sapere se ci si può fidare della soluzione di navigazione.

Diversi servizi SBAS regionali operano in tutto il mondo. Questi includono WAAS in Nord America, EGNOS in Europa, MSAS in Giappone, GAGAN in India, SDCM in Russia, KASS in Corea del Sud e 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 riferimento GNSS più accurato e affidabile che migliora le prestazioni di fusione dei sensori. Un filtro di Kalman esteso (EKF) utilizza le misurazioni di posizione e velocità GNSS corrette per limitare periodicamente la deriva accumulata dai sensori inerziali. Rispetto al GNSS autonomo, l'SBAS riduce il rumore di misura e i bias legati ai satelliti, risultando in aggiornamenti di posizione e velocità più stabili, fornendo al contempo preziose informazioni di integrità per gli algoritmi di navigazione. Tuttavia, l'SBAS non aumenta la frequenza di aggiornamento GNSS e non può compensare le interruzioni del GNSS. Durante le interruzioni del segnale, le prestazioni complessive di navigazione dipendono ancora principalmente dalla qualità dell'IMU e dall'efficacia dell'algoritmo di stima dell'INS.

L'SBAS rappresenta pertanto una soluzione eccellente per le applicazioni che richiedono un posizionamento a livello di metro gratuito e disponibile a livello globale con elevata affidabilità e integrità. È particolarmente adatto per veicoli autonomi, UAV, navigazione marina, agricoltura e sistemi industriali in cui una navigazione robusta è più importante del raggiungimento di una precisione centimetrica. Quando le applicazioni richiedono un posizionamento di livello geodetico, RTK o PPP rimangono le tecniche di correzione preferite, mentre l'SBAS funge da supporto affidabile e ampiamente disponibile alla navigazione GNSS convenzionale.

Come i sistemi di navigazione inerziale mantengono il posizionamento durante le interruzioni del GNSS

1 – Sistemi di navigazione inerziale e integrazione GNSS

Un sistema di navigazione inerziale (INS) determina posizione, velocità e orientamento a partire da misurazioni inerziali di bordo. Nel suo nucleo, un'unità di misura inerziale (IMU) 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 ritmo elevato. 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 la gravità e altri effetti noti. Infine, integra l’accelerazione per stimare la velocità e la posizione. Questo processo consente all’ INS e di generare una soluzione di navigazione continua senza fare affidamento su segnali esterni.

Quando il GNSS è disponibile, l'INS opera tipicamente come parte di una soluzione integrata GNSS/INS. Il GNSS fornisce un riferimento esterno per posizione e velocità, mentre l'IMU fornisce misurazioni di 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 GNSS non sono disponibili, il sistema passa alla propagazione inerziale, spesso definita navigazione stima (dead reckoning). L'INS continua a integrare le misurazioni di giroscopi e accelerometri dall'ultimo stato di navigazione noto. Di conseguenza, può mantenere uscite continue di posizione, velocità e assetto durante l'interruzione.

Tuttavia, la navigazione inerziale non elimina gli errori di posizionamento durante un'interruzione. I bias dei sensori, il rumore, gli errori di fattore di scala, il disallineamento e altre imperfezioni si accumulano attraverso l'integrazione. In particolare, gli errori dell'accelerometro influenzano la velocità e quindi la posizione, mentre gli errori del giroscopio influenzano l'assetto e possono introdurre ulteriori errori di posizione attraverso una compensazione errata della gravità.

Pertanto, la durata e l'entità di un'interruzione GNSS influenzano direttamente l'incertezza della posizione risultante. Sensori inerziali a prestazioni superiori riducono la crescita degli errori e consentono al sistema di superare interruzioni più lunghe prima che la deriva accumulata diventi significativa.

Con quasi vent'anni di esperienza nella progettazione e produzione di sensori inerziali, SBG Systems sviluppa tecnologie IMU e INS progettate per offrire prestazioni di navigazione affidabili quando la disponibilità del 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 differenti. L'IMU fornisce misurazioni continue ad alta frequenza ma accumula errori nel tempo. Il GNSS fornisce un riferimento di posizione assoluta ma può diventare non disponibile o aggiornarsi meno frequentemente. 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 dell'IMU per stimare lo stato successivo. Propaga inoltre l'incertezza associata. Durante l'aggiornamento della misurazione, 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 GNSS forniscono le osservazioni esterne che limitano la deriva inerziale. Il filtro può anche stimare parametri come i bias di accelerometri e giroscopi quando il modello di sistema e le misurazioni disponibili rendono 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 poiché le imperfezioni dei sensori, le imprecisioni del modello e i disturbi non osservati non possono essere eliminati completamente.

Quando il GNSS non è disponibile, il filtro può continuare a propagare la soluzione di navigazione utilizzando le misurazioni inerziali. Tuttavia, senza un'osservazione esterna, il sistema ha minori opportunità di limitare 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.