Nawigacja inercyjna dla obronnych UAV

Nasze rozwiązania doskonale nadają się do integracji z różnymi typami obronnych UAV, oferując wszechstronność i możliwość adaptacji do różnych potrzeb operacyjnych. Nasze czujniki ruchu i nawigacji zapewniają taktyczne wykrywanie w systemach bez kompromisów w zakresie SWaP-C! Są one szczególnie przydatne dla integratorów.

W przypadku UAV, które polegają na GNSS, nasze dwuantenowe odbiorniki GNSS oferują wyjątkową dokładność. Jest to korzystne dla nawigacji naziemnej i pomaga w przejściu między nawigacją powietrzną i naziemną. Dodatkowo, wszystkie czujniki obsługują różne protokoły komunikacyjne, takie jak RS-232, CAN i Ethernet, umożliwiając bezproblemową integrację z systemami UAV.

Ponadto, istnieje możliwość integracji zewnętrznych systemów pozycjonowania, takich jak DVL lub inne systemy wspomagania nawigacji, w celu dostarczenia dokładnych danych dotyczących roll, pitch, heading i wysokości. Poprawia to nawigację w środowiskach, w których sygnały GNSS mogą być słabe lub niedostępne.

W SBG Systems zapewnienie najwyższych standardów jakości dla naszych inercyjnych jednostek pomiarowych (IMU) obejmuje drobiazgowy proces. Zaczynamy od optymalnego doboru wysokiej klasy komponentów MEMS, koncentrując się na niezawodnych akcelerometrach i żyroskopach, które spełniają nasze rygorystyczne wymagania jakościowe. Nasze IMU są umieszczone w wytrzymałych obudowach zaprojektowana, aby wytrzymać wibracje i warunki środowiskowe, gwarantując trwałość i wydajność.

Nasz zautomatyzowany proces kalibracji wykorzystuje stół dwuosiowy i obejmuje zakres temperatur od -40°C do 85°C. Kalibracja ta kompensuje różne czynniki, w tym odchylenia, efekty międzyosiowe, niewspółosiowość, współczynniki skali i nieliniowości w akcelerometrach i żyroskopach, zapewniając spójną wydajność w każdych warunkach pogodowych.

Nasz proces kwalifikacji obejmuje ponadto rygorystyczne badania przesiewowe w naszej firmie, aby zapewnić, że tylko czujniki spełniające nasze specyfikacje przejdą do produkcji. Do każdego IMU dołączony jest szczegółowy raport z kalibracji i jest on objęty dwuletnią gwarancją. Takie rygorystyczne podejście zapewnia wysoką jakość, niezawodność i spójną wydajność w czasie, dostarczając doskonałe IMU do zastosowań obronnych i innych krytycznych.

Przeprowadzamy również dokładne testy środowiskowe i wytrzymałościowe, aby zapewnić niezawodność. Niektóre z naszych czujników spełniają kilka norm MIL-STD, gwarantując odporność na wstrząsy, wibracje i ekstremalne warunki.

Kontrolowanie opóźnień wyjściowych w operacjach UAV jest niezbędne do zapewnienia responsywnej wydajności, precyzyjnej nawigacji i skutecznej komunikacji, szczególnie w obronnych lub krytycznych dla misji zastosowaniach.

Opóźnienie wyjściowe jest ważnym aspektem w aplikacjach sterowania w czasie rzeczywistym, gdzie wyższe opóźnienie wyjściowe może pogorszyć wydajność pętli sterowania. Nasze oprogramowanie wbudowane INS zostało zaprojektowana w celu zminimalizowania opóźnienia wyjściowego: po próbkowaniu danych z czujników, Filtr Kalmana (EKF) wykonuje małe i stałe obliczenia czasowe przed wygenerowaniem wyjść. Zazwyczaj obserwowane opóźnienie wyjściowe jest mniejsze niż jedna milisekunda.

Opóźnienie przetwarzania należy dodać do opóźnienia transmisji danych, jeśli chcesz uzyskać całkowite opóźnienie. To opóźnienie transmisji różni się w zależności od interfejsu. Na przykład, wiadomość o długości 50 bajtów wysłana przez interfejs UART z prędkością 115200 bps zajmie 4 ms na pełną transmisję. Rozważ wyższe prędkości transmisji, aby zminimalizować opóźnienie wyjściowe.

PNT oznacza Pozycjonowanie, Nawigację i Synchronizację Czasu (Timing) — trzy fundamentalne filary, które umożliwiają każdy nowoczesny system nawigacji lub koordynacji, czy to w lotnictwie, obronności, żegludze morskiej, pojazdach autonomicznych, czy infrastrukturze krytycznej.

Oto jasne podsumowanie:

1. Pozycjonowanie

Odpowiada na pytanie: „Gdzie jestem?”
Dostarcza precyzyjne współrzędne geograficzne (szerokość geograficzna, długość geograficzna, wysokość). Zazwyczaj pochodzą z GNSS (GPS, Galileo, GLONASS, BeiDou) lub INS, gdy GNSS jest niedostępny.

Niezbędne do śledzenia, nawigacji, mapowania i orientacji sytuacyjnej.

2. Nawigacja

To odpowiada na pytanie: „Jak przemieścić się z punktu A do punktu B?”
Obejmuje to określenie kierunku, prędkości i trajektorii w celu bezpiecznego i efektywnego dotarcia do celu. Zawiera prędkość, kurs i orientację (przechył, pochylenie, odchylenie).

Często osiągane za pomocą IMU/INS, algorytmów fuzji czujników, odometrii lub nawigacji opartej na GNSS.

3. Synchronizacja czasu

Odpowiedź na pytanie: “Która godzina, dokładnie?”
Dokładny, zsynchronizowany czas ma kluczowe znaczenie dla koordynacji systemów i sygnałów. Precyzyjny pomiar czasu jest podstawą sieci komunikacyjnych, systemów wojskowych, sieci energetycznych i samego GNSS.

Nawet błędy na poziomie mikrosekund mogą powodować awarie w komunikacji, łączach danych lub geolokalizacji.

Dlaczego PNT ma znaczenie?

PNT leży u podstaw każdego nowoczesnego autonomicznego lub naprowadzanego systemu — czy to pociski rakietowe, UAV, pojazdy, USV, AUV, czy nawet sieci telefonii komórkowej. Gdy sygnał GNSS jest osłabiony lub niedostępny, systemy inercyjne (IMU/INS) stają się podstawą niezawodnego PNT.

Inertial Measurement Units (IMU) to zaawansowane urządzenia, które mierzą i raportują siłę właściwą ciała, prędkość kątową, a czasami orientację pola magnetycznego. IMU są kluczowymi komponentami w różnych zastosowaniach, w tym w nawigacji, robotyce i śledzeniu ruchu. Oto bliższe spojrzenie na ich kluczowe cechy i funkcje:

• Akcelerometry: Mierzą przyspieszenie liniowe wzdłuż jednej lub więcej osi. Dostarczają danych o tym, jak szybko obiekt przyspiesza lub zwalnia, i mogą wykrywać zmiany w ruchu lub położeniu.
• Żyroskopy: Mierzą prędkość kątową, czyli szybkość obrotu wokół określonej osi. Żyroskopy pomagają określać zmiany orientacji, umożliwiając urządzeniom utrzymanie pozycji względem układu odniesienia.
• Magnetometry (opcjonalnie): Niektóre IMU zawierają magnetometry, które mierzą siłę i kierunek pól magnetycznych. Dane te mogą pomóc w określeniu orientacji urządzenia względem pola magnetycznego Ziemi, zwiększając dokładność nawigacji.

IMU dostarczają ciągłych danych o ruchu obiektu, umożliwiając śledzenie jego położenia i orientacji w czasie rzeczywistym. Informacje te są krytyczne dla zastosowań takich jak drony, pojazdy i robotyka.

W zastosowaniach takich jak stabilizatory kamery lub UAV, IMU pomagają stabilizować ruchy, kompensując niepożądane ruchy lub wibracje, co skutkuje płynniejszą pracą.

Nawigacja Zliczeniowa w lotnictwie to tradycyjna metoda nawigacji, która szacuje bieżącą pozycję statku powietrznego, przewidując jego ostatnią znaną lokalizację na podstawie zmierzonych lub założonych parametrów, takich jak kurs, prędkość lotu, czas i czynniki środowiskowe, takie jak wiatr.

Zamiast polegać na zewnętrznych punktach odniesienia—takich jak radiolatarnie, satelity GNSS lub punkty orientacyjne—Nawigacja Zliczeniowa wykorzystuje informacje o ruchu statku powietrznego do obliczenia, gdzie powinien się on znajdować w odniesieniu do miejsca, z którego wystartował. Pilot lub pokładowy system nawigacyjny zaczyna od znanego punktu, a następnie stosuje prawdziwy kurs i prędkość statku powietrznego w danym przedziale czasu, aby obliczyć nową szacunkową pozycję.

Ponieważ jednak statek powietrzny porusza się w masie powietrza, na którą wpływa wiatr, obliczenia muszą uwzględniać kierunek i prędkość wiatru; w przeciwnym razie obliczona trasa będzie odbiegać od rzeczywistej przebytej drogi.

We współczesnym lotnictwie, bezwładnościowe systemy nawigacyjne wspomagają Nawigację Zliczeniową, wykorzystując akcelerometry i żyroskopy do pomiaru przyspieszeń liniowych i prędkości kątowych, ciągle integrując te pomiary w celu oszacowania prędkości, orientacji i pozycji. Chociaż ta inercyjna Nawigacja Zliczeniowa znacznie zwiększa niezależność od sygnałów zewnętrznych, nadal gromadzi błędy w czasie z powodu dryftu czujników i szumu. Z tego powodu, Nawigacja Zliczeniowa oparta na INS jest często łączona z GNSS lub innymi źródłami wspomagającymi, aby ograniczyć dryft i utrzymać długoterminową dokładność.

Pomimo tych ograniczeń, Nawigacja Zliczeniowa pozostaje niezbędna do zapewnienia ciągłości nawigacji podczas przerw w działaniu GNSS, misji z zachowaniem ciszy radiowej lub operacji w środowiskach, w których zewnętrzne punkty odniesienia są zawodne lub niedostępne.

Inercyjne systemy nawigacyjne dla autonomicznych bezzałogowych statków powietrznych (UAV) i w sektorze obronnym

Autonomiczne bezzałogowe statki powietrzne (UAV) oraz platformy obronne muszą utrzymywać stabilną nawigację w sytuacji, gdy sygnały z systemu „ GNSS ” stają się niedostępne, ulegają pogorszeniu lub są zakłócane. W takich warunkach inercyjne systemy nawigacyjne zapewniają ciągłe pomiary ruchu i orientacji bez konieczności polegania wyłącznie na zewnętrznych sygnałach pozycjonujących.

System nawigacji inercyjnej łączy żyroskopy i akcelerometry z algorytmami nawigacyjnymi w celu oszacowania położenia, prędkości i pozycji. Gdy sygnał z systemu nawigacji satelitarnej ( GNSS ) jest dostępny, fuzja czujników może go wykorzystać do ograniczenia dryfu inercyjnego. Gdy sygnał z systemu nawigacji satelitarnej ( GNSS ) staje się niedostępny, system kontynuuje nawigację w oparciu o pomiary inercyjne i nawigację zliczeniową.

1 – Nawigacja w warunkach braku sygnału GPS

Nowoczesne bezzałogowe statki powietrzne (UAV) mogą napotykać sytuacje, w których dostęp do systemu GPS jest zablokowany (GNSS-denied) w wyniku zasłonięcia sygnału, zakłóceń lub celowego zagłuszania. W związku z tym platformy autonomiczne wymagają technologii nawigacyjnych, które będą w stanie nadal dostarczać informacje o ruchu i położeniu bez konieczności ciągłego pozycjonowania satelitarnego.

INS a mierzy ruch kątowy pojazdu oraz przyspieszenie liniowe. Następnie procesor nawigacyjny integruje te pomiary w celu oszacowania orientacji, prędkości i położenia pojazdu. Proces ten stanowi rodzaj nawigacji zliczeniowej, która nie wymaga zewnętrznego sygnału pozycyjnego.

W przypadku bezzałogowych statków powietrznych (UAV) funkcja ta zapewnia ciągłość sterowania lotem w sytuacji, gdy system nawigacji opartej na odczuwaniu położenia ( GNSS ) przestaje działać. System nawigacji oparty na odczuwaniu położenia ( INS ) może nadal dostarczać dane dotyczące położenia i ruchu do systemu sterowania lotem, nawet gdy inne źródła nawigacyjne przestają działać.

Ta sama zasada dotyczy systemów bezzałogowych działających w środowiskach o ograniczonej widoczności. Nawigacja inercyjna umożliwia platformom autonomicznym utrzymanie nawigacji w sytuacji, gdy sygnały GPS lub inne sygnały zewnętrzne stają się niedostępne. Ponadto architektury typu „ GNSS ” (wspomagane przez nawigację inercyjną) w systemie „ INS ” łączą pomiary inercyjne z odniesieniami zewnętrznymi w celu ograniczenia skumulowanych błędów nawigacyjnych.

Jednak system automatycznego śledzenia pozycji ( INS ) nie eliminuje dryftu nawigacyjnego. Podczas integracji kumulują się niewielkie błędy czujników, więc niepewność pozycji zazwyczaj wzrasta w miarę działania systemu bez zewnętrznych korekt. Jakość czujników nabiera zatem szczególnego znaczenia w przypadku misji wymagających długotrwałej pracy bez dostępu do danych z systemu nawigacji satelitarnej ( GNSS).

To wyjaśnia, dlaczego inżynierowie oceniają wydajność czujników inercyjnych w oparciu o przewidywane warunki misji. Na wydajność nawigacji mogą wpływać: stabilność odchylenia żyroskopu, odchylenie akcelerometru, szum pomiarowy, częstotliwość aktualizacji, drgania, temperatura oraz integracja mechaniczna.

2 – Dobór czujników nawigacyjnych do misji autonomicznych

Wybór czujnika inercyjnego należy rozpocząć od wymagań misji, a nie wyłącznie od kategorii czujnika. Autonomiczne bezzałogowe statki powietrzne (UAV), systemy kierowane oraz inne platformy mogą stawiać bardzo zróżnicowane wymagania dotyczące dokładności, parametrów SWaP, dynamiki, odporności na drgania oraz integracji z systemem GNSS .

System pomiaru położenia ( IMU ) dostarcza podstawowe pomiary inercyjne z żyroskopów i akcelerometrów. System wyznaczania położenia ( AHRS ) przetwarza te pomiary w celu uzyskania informacji o położeniu. System integracji danych ( INS ) łączy pomiary inercyjne z przetwarzaniem danych nawigacyjnych oraz, w zależności od architektury, z danymi pomocniczymi z zewnętrznych źródeł, takich jak systemy nawigacji satelitarnej ( GNSS).

Klasa czujnika wpływa również na tempo narastania błędów nawigacyjnych podczas przerw w działaniu systemu „ GNSS ”. Czujniki inercyjne o wyższej wydajności zazwyczaj charakteryzują się mniejszą niestabilnością odchylenia i mniejszym szumem pomiarowym. Inżynierowie muszą jednak znaleźć równowagę między tymi właściwościami a wymaganiami dotyczącymi rozmiarów, masy, zużycia energii, kosztów oraz integracji.

Nasze czujniki IMU typu MEMS doskonale nadają się do zastosowań związanych z naprowadzaniem, nawigacją i stabilizacją platform, w tym w rakietach kierowanych, bombach szybowych i pociskach.

Ważna jest również integracja. Czujnik musi dostarczać dane z odpowiednią częstotliwością oraz skutecznie komunikować się z komputerem pokładowym platformy, oprogramowaniem nawigacyjnym i innymi czujnikami. Montaż mechaniczny może również wpływać na wydajność, ponieważ drgania i dynamika konstrukcji mogą powodować dodatkowe błędy pomiarowe.

W przypadku autonomicznych misji dronów inżynierowie powinni zatem ocenić:

• Stabilność odchylenia żyroskopu w kontekście długoterminowej wydajności inercyjnej.
• Wydajność akcelerometru w zakresie szacowania prędkości i położenia.
• Szum pomiarowy w kontekście krótkoterminowej stabilności nawigacyjnej.
• Częstotliwość odświeżania i opóźnienie w responsywnych pętlach regulacyjnych.
• Tłumienie drgań w konstrukcjach lotniczych o wysokiej dynamice.
• Charakterystyka temperaturowa w całym zakresie warunków pracy.
• Parametry SWaP pod kątem integracji z dostępną przestrzenią platformy.
• GNSS integracja, gdy pomoc satelitarna pozostaje dostępna.
• Interfejsy i oprogramowanie służące do integracji z architekturą pojazdu.

Rozróżnienie między klasami czujników nabiera szczególnego znaczenia, gdy misja wymaga ciągłości nawigacji w przypadku awarii systemu „ GNSS ”. Kompaktowe systemy MEMS mogą być dostosowane do platform o ograniczonych parametrach SWaP, natomiast systemy taktyczne o wyższej wydajności mogą zapewnić lepszą stabilność inercyjną w wymagających zastosowaniach.

3 – Wysoce precyzyjne systemy nawigacji „ INS ” do operacji BVLOS i ISR

Misje poza zasięgiem wzrokowym (BVLOS) oraz misje wywiadowcze, obserwacyjne i rozpoznawcze (ISR) stawiają przed systemami nawigacyjnymi dodatkowe wymagania. Platformy te mogą działać na rozległych obszarach i mogą wymagać stabilnych danych dotyczących położenia i nawigacji podczas długotrwałych operacji lotniczych.

System nawigacji i sterowania ( INS ) musi wspierać architekturę sterowania lotem statku powietrznego, zapewniając jednocześnie spójne informacje nawigacyjne dla ładunków użytkowych i systemów misji. Wymóg ten sprawia, że integracja czujników stanowi istotną część ogólnej architektury nawigacyjnej.

System nawigacji o klasie taktycznej ( INS ) może łączyć wysokowydajne czujniki inercyjne z algorytmami wspomagania nawigacji ( GNSS ) oraz wbudowanymi algorytmami nawigacyjnymi. Gdy dostępne są dane z systemu nawigacji satelitarnej ( GNSS ), filtr nawigacyjny może wykorzystywać pomiary satelitarne do ograniczenia dryftu inercyjnego. W przypadku utraty sygnału z systemu nawigacji satelitarnej ( GNSS ) system może nadal korzystać z pomiarów inercyjnych, dopóki pomoc zewnętrzna nie stanie się ponownie dostępna.

Wymagana klasa czujnika zależy od czasu trwania misji, dynamiki platformy, przewidywanego czasu trwania przerwy w działaniu oraz dopuszczalnego błędu nawigacyjnego. Inżynierowie powinni zatem określić te parametry przed wyborem czujnika typu „ IMU ” lub „ INS ”.

SBG Systems Opracowuje czujniki nawigacji inercyjnej do zastosowań wymagających precyzyjnych danych dotyczących położenia, ruchu i nawigacji. Oferta firmy obejmuje czujniki IMU, urządzenia MRU ( AHRS) oraz rozwiązania oparte na systemie nawigacji inercyjnej (IMU) z wykorzystaniem danych z systemu nawigacji satelitarnej (IMU- GNSS) – INS – przeznaczone dla autonomicznych i wymagających platform.

W przypadku autonomicznych bezzałogowych statków powietrznych (UAV) oraz zastosowań obronnych celem nie jest jedynie wybór czujnika inercyjnego o wysokich parametrach technicznych. Inżynierowie muszą natomiast dostosować parametry czujnika, sposób jego integracji oraz właściwości środowiskowe do całej architektury nawigacyjnej.

W rezultacie powstał system nawigacyjny zaprojektowana uwzględniający rzeczywiste ograniczenia misji, w tym GNSS dostępność, dynamikę, drgania, parametry SWaP oraz wymaganą dokładność nawigacji.

Najważniejsze wnioski

1. INS zapewnia ciągły pomiar ruchu i położenia, gdy system „ GNSS ” jest niedostępny.
2. Nawigacja zliczeniowa pozwala platformom autonomicznym kontynuować nawigację w przypadku utraty sygnału z systemu „ GNSS ”.
3. Błędy inercyjne kumulują się z upływem czasu, przez co działanie czujników ma kluczowe znaczenie podczas długotrwałych przerw w zasilaniu.
4. Stabilność odchylenia żyroskopu oraz szum pomiarowy mają znaczący wpływ na wydajność nawigacji inercyjnej.
5. Na wydajność na poziomie systemu wpływają również integracja czujników, drgania, temperatura, parametry SWaP oraz interfejsy.
6. INS , przeznaczone do zastosowań taktycznych, mogą obsługiwać wymagające aplikacje autonomiczne, gdy wymagania misji wykraczają poza możliwości konwencjonalnych czujników nawigacyjnych.