Stellar-40 System nawigacji inercyjnej klasy taktycznej

---

Nawigacja Zliczeniowa to metoda nawigacji bez sygnałów GNSS, opierająca się na bezwładności i danych z innych sensorów w celu utrzymania ciągłego śledzenia. Zazwyczaj w przypadku utraty GNSS system traci całkowicie swoją pozycję. Dzięki nawigacji zliczeniowej system oblicza ciągłą pozycję, która z czasem będzie powolnie dryfować. Szybkość tego dryfu zależy od jakości wewnętrznego IMU oraz dostępności zewnętrznych sensorów wspomagających.

Stellar-40 wykorzystuje nasz autorski protokół sbgECom, oparty na jasno zdefiniowanych ramkach komunikatów. Dzięki tym predefiniowanym komunikatom system może płynnie pozyskiwać dane lotnicze, prędkości względem kadłuba oraz dane dotyczące pozycji bezwzględnej z dowolnego czujnika zewnętrznego zdolnego do dostarczania tych informacji.

Nie, ponieważ nie jest to wymagane. Zaawansowany algorytm fuzji czujników w urządzeniu „ Stellar-40” automatycznie oblicza i szacuje warunki wiatrowe w czasie rzeczywistym, dzięki czemu nie ma potrzeby ręcznego wprowadzania tych danych.

W przypadku platform lądowych Stellar-40 obsługuje różnorodne sygnały wspomagające w celu zwiększenia dokładności nawigacji, szczególnie w środowiskach o ograniczonym dostępie do GNSS. Obejmują one sprzętowe odometry (odometrie kołowe), wspomaganie prędkością z sensorów zewnętrznych (takich jak LiDAR lub czujniki optyczne) oraz wspomaganie pozycją absolutną.

Właściwy wybór zależy od warunków pracy. Zdecydowanie zalecamy wersję z tłumieniem w przypadku platform narażonych na działanie trudnych warunków i wibracji, takich jak drony do ataków na głębokie cele lub bezzałogowe pojazdy lądowe (UGV). Jeśli nie masz pewności, która wersja najlepiej pasuje do Twojego zastosowania, nasz zespół wsparcia chętnie pomoże Ci dokonać właściwego wyboru.

Czym jest SBAS?

System wspomagania satelitarnego (SBAS) to technologia rozszerzenia GNSS, która poprawia dokładność, integralność, dostępność i ciągłość pozycjonowania satelitarnego. Początkowo opracowany z myślą o awiacji, system SBAS stał się cennym wsparciem nawigacyjnym w takich zastosowaniach jak bezzałogowe statki powietrzne (UAV), nawigacja morska, rolnictwo precyzyjne, mapowanie GIS, pojazdy autonomiczne oraz systemy nawigacji inercyjnej (INS). W przeciwieństwie do technologii RTK (Real-Time Kinematic) czy PPP (Precise Point Positioning), SBAS zapewnia bezpłatne pozycjonowanie z dokładnością do jednego metra bez konieczności stosowania lokalnej stacji bazowej lub połączenia z internetem.

Samodzielny odbiornik GNSS określa swoją pozycję poprzez pomiar pseudoodległości od satelitów należących do konstelacji takich jak GPS, Galileo, GLONASS czy BeiDou. Pomiary te są jednak podatne na kilka źródeł błędów, w tym dryf zegara satelity, błędy orbity (efemeryd), opóźnienie jonosferyczne, opóźnienie troposferyczne, szum odbiornika oraz wielościeżkowość. System SBAS stale szacuje największe z tych błędów i przesyła korekcje w czasie rzeczywistym, które znacznie poprawiają rozwiązanie nawigacyjne.

Architektura SBAS opiera się na sieci precyzyjnie wyznaczonych stacji referencyjnych rozmieszczonych w danym regionie. Stacje te stale monitorują sygnały GNSS i porównują zmierzone odległości satelitarne ze swoimi znanymi pozycjami, aby oszacować błędy zegara satelity, orbity oraz jonosferyczne. Pomiary są przesyłane do głównych centrów sterowania, które łączą dane ze wszystkich stacji referencyjnych w celu wygenerowania komunikatów korekcyjnych oraz informacji o integralności. Komunikaty te są następnie przesyłane łączem w górę do satelitów geostacjonarnych, które retransmitują je do odbiorników GNSS z obsługą SBAS. Odbiornik aplikuje korekcje przed obliczeniem swojej pozycji, skutecznie redukując dominujące źródła błędów wpływające na pomiary pseudoodległości.

Z matematycznego punktu widzenia skorygowaną pseudoodległość można wyrazić w następujący sposób:

Ppoprawiono​ = Pzmierzone​ − Δzegar ​− Δorbita​ − Δjono​

gdzie Pmierzone to pierwotny pomiar pseudoodległości, Δzegar oznacza korektę zegara satelitarnego, Δorbita​ oznacza korektę orbitalną, a Δiono oznacza korektę opóźnienia jonosferycznego.

Korekty te zazwyczaj redukują błędy pozycjonowania poziomego dla niezależnego systemu GNSS z około 3–10 metrów do około 1–2 metrów. Chociaż ten poziom dokładności jest niższy niż wydajność rzędu centymetrów osiągana za pomocą RTK lub PPP, SBAS oferuje główną zaletę: monitorowanie integralności. Zamiast po prostu poprawiać dokładność pozycji, SBAS stale ocenia stan każdego monitorowanego satelity i szybko ostrzega użytkowników, jeśli satelita stanie się niewiarygodny z powodu anomalii zegara, błędów orbity lub degradacji sygnału. Ta funkcja jest niezbędna w zastosowaniach o krytycznym znaczeniu dla bezpieczeństwa, gdzie użytkownicy muszą wiedzieć, czy można ufać rozwiązaniu nawigacyjnemu.

Na całym świecie działa kilka regionalnych usług SBAS. Należą do nich WAAS w Ameryce Północnej, EGNOS w Europie, MSAS w Japonii, GAGAN w Indiach, SDCM w Rosji, KASS w Korei Południowej oraz SouthPAN w Australii i Nowej Zelandii. Nowoczesne odbiorniki GNSS wieloczęstotliwościowe na ogół obsługują automatycznie wiele usług SBAS, w zależności od ich lokalizacji geograficznej.

W przypadku systemów nawigacji inercyjnej SBAS zapewnia dokładniejsze i bardziej niezawodne odniesienie GNSS, co poprawia wydajność fuzji sensorów. Rozszerzony filtr Kalmana (EKF) wykorzystuje skorygowane pomiary pozycji i prędkości GNSS do okresowego ograniczania błędu znoszenia (driftu) gromadzonego przez czujniki inercyjne. W porównaniu z niezależnym systemem GNSS, SBAS redukuje szum pomiarowy oraz błędy związane z satelitami, co skutkuje bardziej stabilnymi aktualizacjami pozycji i prędkości przy jednoczesnym dostarczeniu cennych informacji o integralności dla algorytmów nawigacyjnych. Jednak SBAS nie zwiększa częstotliwości odświeżania GNSS i nie potrafi skompensować przerw w sygnale GNSS. Podczas przerw w transmisji ogólna wydajność nawigacji nadal zależy przede wszystkim od jakości jednostki IMU oraz skuteczności algorytmu estymacji INS.

Dlatego SBAS jest doskonałym rozwiązaniem do zastosowań wymagających bezpłatnego, ogólnie dostępnego pozycjonowania metrowego o wysokiej niezawodności i integralności. Jest szczególnie dobrze przystosowany do pojazdów autonomicznych, bezzałogowych statków powietrznych (UAV), nawigacji morskiej, rolnictwa i systemów przemysłowych, gdzie solidna nawigacja jest ważniejsza niż osiągnięcie dokładności rzędu centymetrów. Gdy aplikacje wymagają pozycjonowania klasy geodezyjnej, RTK lub PPP pozostają preferowanymi technikami korekcji, podczas gdy SBAS służy jako niezawodne i szeroko dostępne ulepszenie konwencjonalnej nawigacji GNSS.

Jak systemy nawigacji inercyjnej utrzymują pozycję podczas przerw w dostępie do sygnału GNSS

1 – Systemy nawigacji inercyjnej i integracja z GNSS

System nawigacji inercyjnej (INS) określa pozycję, prędkość i orientację na podstawie wbudowanych pomiarów inercyjnych. W swojej sferze rdzennej jednostka pomiaru inercyjnego (IMU) łączy trzy akcelerometry i trzy żyroskopy. Akcelerometry mierzą przyspieszenie skorelowane z siłą specyficzną, podczas gdy żyroskopy mierzą prędkość kątową wzdłuż trzech osi ortogonalnych.

Komputer nawigacyjny przetwarza te pomiary z dużą częstotliwością. Najpierw integruje odczyty z żyroskopu, aby oszacować zmiany położenia. Następnie przekształca zmierzone przyspieszenie do układu nawigacyjnego i kompensuje wpływ grawitacji oraz inne znane czynniki. Na koniec integruje przyspieszenie, aby oszacować prędkość i położenie. Proces ten pozwala systemowi „ INS ” na generowanie ciągłego rozwiązania nawigacyjnego bez konieczności polegania na sygnałach zewnętrznych.

Gdy sygnał GNSS jest dostępny, INS zazwyczaj działa jako część zintegrowanego rozwiązania GNSS/INS. GNSS zapewnia zewnętrzne odniesienie dla pozycji i prędkości, podczas gdy IMU dostarcza pomiarów ruchu o wysokiej częstotliwości. Filtr nawigacyjny łączy oba źródła, aby oszacować stan pojazdu i ograniczyć błędy bezwładnościowe.

Gdy sygnały GNSS stają się niedostępne, system przechodzi w tryb propagacji inercyjnej, często określanej jako nawigacja zliczeniowa (dead reckoning). System INS kontynuuje integrację pomiarów z żyroskopów i akcelerometrów począwszy od ostatniego znanego stanu nawigacyjnego. Dzięki temu może utrzymywać ciągłość danych o pozycji, prędkości i orientacji przez cały okres zaniku sygnału.

Nawigacja inercyjna nie eliminuje jednak błędów pozycjonowania podczas przerwy w sygnale. Błędy czujników, szumy, błędy współczynnika skalowania, niewspółosiowość oraz inne niedoskonałości kumulują się w procesie integracji. W szczególności błędy akcelerometrów wpływają na prędkość, a następnie na pozycję, podczas gdy błędy żyroskopów wpływają na orientację przestrzenną (attitude) i mogą wprowadzać dodatkowe błędy pozycji poprzez nieprawidłową kompensację grawitacji.

W związku z tym czas trwania oraz skala zaniku sygnału GNSS bezpośrednio wpływają na wynikową niepewność wyznaczenia pozycji. Wysokowydajne sensory inercyjne ograniczone mają narastanie błędów, co pozwala systemowi przetrwać dłuższe przerwy w sygnale, zanim skumulowany znos stanie się istotny.

Dysponując prawie dwudziestoletnim doświadczeniem w projektowaniu i produkcji czujników bezwładnościowych, SBG Systems rozwija technologie IMU oraz INS, które zostały zaprojektowane, aby zapewniać niezawodne działanie nawigacji w warunkach ograniczonego lub przerwanego sygnału GNSS.

2 – Filtrowanie Kalmana i fuzja danych z czujników

Fuzja sensorów pozwala systemowi GNSS/INS na łączenie pomiarów o różnych charakterystykach. IMU dostarcza ciągłych pomiarów o wysokiej częstotliwości, ale z czasem kumuluje błędy. GNSS zapewnia absolutne odniesienie pozycji, ale może stać się niedostępny lub aktualizować się rzadziej. Filtr nawigacyjny łączy te uzupełniające się charakterystyki w celu oszacowania stanu pojazdu.

W tego typu estymacji stanu szeroko stosuje się filtr Kalmana. W praktycznych zastosowaniach systemu „ INS ” zazwyczaj wykorzystuje się rozszerzony filtr Kalmana (EKF), ponieważ równania opisujące ruch i położenie pojazdu mają charakter nieliniowy. EKF utrzymuje oszacowanie stanu nawigacyjnego oraz jego niepewności, przetwarzając jednocześnie pomiary z dostępnych czujników.

Proces ten składa się z dwóch podstawowych etapów: prognozowania i aktualizacji pomiarów.

Podczas predykcji filtr wykorzystuje poprzedni stan nawigacyjny oraz najnowsze pomiary z IMU do oszacowania kolejnego stanu. Propaguje również powiązaną niepewność. Podczas aktualizacji pomiarowej filtr porownuje dostępne zewnętrzne pomiary z przewidywanym stanem. Następnie wykorzystuje różnicę, czyli innowację, do aktualizacji oszacowania stanu i zmniejszenia jego niepewności.

W systemie GNSS/INS pomiary GNSS dostarczają zewnętrznych obserwacji, które ograniczają znos inercyjny. Filtr potrafi również szacować parametry takie jak błędy składowe (bias) akcelerometrów i żyroskopów, o ile model systemu i dostępne pomiary czynią te parametry obserwowalnymi.

To rozróżnienie jest istotne: filtr Kalmana nie polega po prostu na usunięciu wszystkich błędów z każdego czujnika pokładowego. Zamiast tego na podstawie modelu matematycznego i dostępnych pomiarów szacuje stan nawigacyjny oraz odpowiednie stany błędów. Błędy resztkowe pozostają, ponieważ nie da się całkowicie wyeliminować niedoskonałości czujników, niedokładności modelu oraz nieobserwowanych zakłóceń.

Gdy sygnał GNSS przestaje być dostępny, filtr może kontynuować propagację rozwiązania nawigacyjnego za pomocą pomiarów inercyjnych. Jednak bez zewnętrznej obserwacji system ma mniej możliwości ograniczenia stanów swoich błędów. W konsekwencji, wraz z przedłużającym się zanikiem sygnału, rośnie niepewność. Gdy pomiary GNSS znów stają się dostępne, filtr porównuje je z rozwiązaniem inercyjnym i wykorzystuje powstałą innowację do skorygowania szacowanego stanu oraz skumulowanych błędów. Umożliwia to systemowi GNSS/INS płynne przechodzenie pomiędzy nawigacją wspomaganą systemem GNSS a propagacją inercyjną.