Інерціальна навігація для оборонних UAV

Наші рішення чудово підходять для інтеграції з різними типами оборонних БПЛА, забезпечуючи універсальність та адаптивність до різних оперативних потреб. Наші датчики руху та навігації забезпечують вашим системам тактичне зондування без шкоди для параметрів SWaP-C! Вони особливо підходять для використання інтеграторами.

Для безпілотних літальних апаратів, що використовують GNSS, наші двоантенні GNSS забезпечують виняткову точність. Це є корисним для наземної навігації та полегшує перехід між повітряною та наземною навігацією. Крім того, усі датчики підтримують різні протоколи зв’язку, такі як RS-232, CAN та Ethernet, що забезпечує безперебійну інтеграцію з системами безпілотних літальних апаратів.

Нарешті, можна інтегрувати зовнішні системи позиціонування, такі як DVL, або інші навігаційні засоби для отримання точних даних roll, pitch, heading і висоту. Це покращує навігацію в умовах, коли GNSS можуть бути слабкими або недоступними.

У SBG Systems забезпечення найвищих стандартів якості для наших інерціальних вимірювальних блоків (IMU) передбачає ретельний процес. Ми починаємо з оптимального підбору високоякісних MEMS-компонентів, зосереджуючись на надійних акселерометрах і гіроскопах, які відповідають нашим суворим вимогам до якості. Наші IMU поміщені в міцні корпуси, розроблені для витримування вібрацій і суворих умов довкілля, що гарантує довговічність і продуктивність.

Наш автоматизований процес калібрування передбачає використання двоосьового столу та охоплює діапазон температур від -40 °C до 85 °C. Ця калібрування компенсує різні фактори, зокрема похибки, ефекти перехресних осей, розбіжність осей, коефіцієнти масштабування та нелінійності в акселерометрах і гіроскопах, забезпечуючи стабільну роботу в будь-яких погодних умовах.

Наш процес сертифікації також передбачає суворий внутрішній контроль, що гарантує: у виробництво потрапляють лише ті датчики, які відповідають нашим технічним вимогам. До кожного IMU детальний протокол калібрування та надається дворічна гарантія. Такий ретельний підхід забезпечує високу якість, надійність та стабільну роботу протягом тривалого часу, дозволяючи створювати IMU найвищого рівня для оборонної галузі та інших критично важливих сфер застосування.

Ми також проводимо ретельні екологічні випробування та випробування на довговічність, щоб забезпечити надійність. Деякі з наших датчиків відповідають кільком стандартам MIL-STD, що гарантує їхню стійкість до ударів, вібрації та екстремальних умов.

Контроль затримок у передачі даних під час експлуатації безпілотних літальних апаратів має вирішальне значення для забезпечення оперативної роботи, точної навігації та ефективного зв’язку, особливо в оборонній сфері або в умовах виконання завдань, від яких залежить успіх місії.

Затримка на виході є важливим аспектом у системах управління в режимі реального часу, де її збільшення може погіршити ефективність контурів управління. Наше INS програмне забезпечення INS розроблено з метою мінімізації затримки на виході: після зчитування даних з датчиків розширений фільтр Калмана (EKF) виконує невеликі обчислення за фіксований проміжок часу, перш ніж генеруються вихідні сигнали. Зазвичай спостережувана затримка на виході становить менше однієї мілісекунди.

Щоб отримати загальну затримку, до затримки передачі даних слід додати затримку обробки. Ця затримка передачі залежить від конкретного інтерфейсу. Наприклад, повна передача повідомлення розміром 50 байт через інтерфейс UART зі швидкістю 115 200 біт/с займе 4 мс. Для мінімізації затримки виведення слід використовувати більш високі швидкості передачі даних.

Абревіатура PNT розшифровується як «позиціонування, навігація та синхронізація» — три основні складові, на яких базуються будь-які сучасні системи навігації та координації, чи то в аерокосмічній галузі, оборонній сфері, морському транспорті, секторі автономних транспортних засобів, чи в галузі критичної інфраструктури.

Ось чіткий розклад:

1. Позиціонування

Це дає відповідь на питання: «Де я?»
Він надає точні географічні координати (широту, довготу, висоту над рівнем моря). Зазвичай вони отримуються за допомогою GNSS GPS, Galileo, GLONASS, BeiDou) або INS , коли GNSS недоступна.

Незамінний інструмент для відстеження, навігації, картографування та оцінки обстановки.

2. Навігація

Це відповідає на запитання: «Як дістатися з точки А до точки Б?»
Це передбачає визначення напрямку, швидкості та траєкторії для безпечного й ефективного досягнення пункту призначення. Сюди входять швидкість, курс та положення (roll, pitch, рискання).

Зазвичай це досягається за допомогоюINS), алгоритмів об'єднання даних датчиків, одометрії або навігації GNSS.

3. Терміни

Це відповідає на запитання: «Котра саме година?»
Точний, синхронізований час має вирішальне значення для координації систем і сигналів. Високоточна синхронізація лежить в основі комунікаційних мереж, військових систем, електромереж та GNSS .

Навіть похибки на рівні мікросекунд можуть призвести до збоїв у роботі систем зв’язку, каналів передачі даних або геолокації.

Чому PNT має значення?

PNT є основою кожної сучасної автономної або керованої системи — будь то ракети, UAV, транспортні засоби, USV, AUV чи навіть стільникові мережі. Коли сигнал GNSS погіршується або придушується, інерціальні системи (IMU/INS) стають основою стійкої PNT.

Інерціальні вимірювальні блоки (IMU) — це складні пристрої, які вимірюють і передають дані про питому силу тіла, кутову швидкість, а іноді й орієнтацію магнітного поля. IMU є критично важливими компонентами в різних застосуваннях, включаючи навігацію, робототехніку та трекінг руху. Ось детальніший огляд їхніх ключових функцій та особливостей:

• Акселерометри: вимірюють лінійне прискорення вздовж однієї або декількох осей. Вони надають дані про те, з якою швидкістю об’єкт прискорюється або сповільнюється, а також можуть фіксувати зміни руху чи положення.
• Гіроскопи: вимірюють кутову швидкість, тобто швидкість обертання навколо певної осі. Гіроскопи допомагають визначати зміни орієнтації, що дозволяє пристроям зберігати своє положення відносно системи відліку.
• Магнітометри (опціонально): Деякі ІМУ оснащені магнітометрами, які вимірюють силу та напрямок магнітних полів. Ці дані допомагають визначити орієнтацію пристрою відносно магнітного поля Землі, підвищуючи точність навігації.

ІМУ надають безперервні дані про рух об’єкта, що дозволяє відстежувати його положення та орієнтацію в режимі реального часу. Ця інформація має вирішальне значення для таких застосувань, як дрони, транспортні засоби та робототехніка.

У таких системах, як стабілізатори для камер або безпілотні літальні апарати, інерційні вимірювальні блоки (IMU) допомагають стабілізувати рух, компенсуючи небажані коливання та вібрації, що забезпечує більш плавну роботу.

Навігація за розрахунками в авіації — це традиційний метод навігації, який дозволяє визначити поточне місцезнаходження літака шляхом екстраполяції його останнього відомого координатного положення з використанням виміряних або припущених параметрів, таких як heading, швидкість польоту, час та фактори навколишнього середовища, такі як вітер.

Замість того, щоб покладатися на зовнішні орієнтири — такі як радіомаяки, GNSS або візуальні орієнтири,dead reckoning використовує інформацію про власний рух літака для обчислення його поточного місцезнаходження відносно точки старту. Пілот або бортова навігаційна система починає з відомої точки, а потім застосовує істинний heading літака heading істинну повітряну швидкість за певний проміжок часу для обчислення нового розрахункового положення.

Однак, оскільки літак рухається крізь повітряну масу, на яку впливає вітер, у розрахунках необхідно враховувати напрямок і швидкість вітру; інакше розрахований маршрут буде відрізнятися від фактичного шляху польоту.

У сучасній авіації інерціальні навігаційні системи вдосконалюють dead reckoning, використовуючи акселерометри та гіроскопи для вимірювання лінійних прискорень і швидкостей обертання, безперервно інтегруючи ці вимірювання для оцінки швидкості, просторового положення та позиції. Хоча це інерціальне dead reckoning різко підвищує незалежність від зовнішніх сигналів, воно все одно накопичує похибки з часом через зміщення датчиків та шум. З цієї причини INS-based dead reckoning часто поєднується з GNSS або іншими допоміжними джерелами для обмеження дрейфу й підтримання довгострокової точності.

Незважаючи на ці обмеження, dead reckoning необхідною для забезпечення безперервності навігації під час GNSS , місій у режимі радіомовчання або операцій в умовах, коли зовнішні орієнтири є ненадійними або denied.

Інерційні навігаційні системи для автономних безпілотних літальних апаратів та оборони

Автономні БПЛА та оборонні платформи повинні забезпечувати стабільну навігацію у випадках, коли сигнали системи « GNSS » стають недоступними, їхня якість погіршується або вони піддаються радіоперешкодам. У таких умовах інерційні навігаційні системи забезпечують безперервне вимірювання руху та орієнтації, не покладаючись виключно на зовнішні сигнали позиціонування.

Інерційна навігаційна система поєднує гіроскопи та акселерометри з навігаційними алгоритмами для визначення орієнтації, швидкості та положення. Коли GNSS залишається доступним, система об’єднання даних датчиків може використовувати його для обмеження інерційного дрейфу. Коли GNSS стає недоступним, система продовжує навігацію на основі інерційних вимірювань та dead reckoning.

1 – Навігація в умовах, коли GPS недоступний

Сучасні БПЛА можуть стикатися з умовами , коли сигнал супутника не надходить (GNSS) —denied — через перешкоди, інтерференцію або навмисне глушіння. Тому автономні платформи потребують навігаційних технологій, здатних і надалі надавати інформацію про рух та орієнтацію без постійного супутникового позиціонування.

Система вимірювання кутового переміщення та лінійного прискорення ( INS ) вимірює кутовий рух та лінійне прискорення транспортного засобу. Потім навігаційний процесор об’єднує ці вимірювання для визначення орієнтації, швидкості та положення транспортного засобу. Цей процес забезпечує реалізацію системи автономного орієнтування ( dead reckoning ), яка не потребує зовнішнього сигналу про положення.

У випадку безпілотних літальних апаратів (БПЛА) ця функція забезпечує безперервне керування польотом у разі, якщо система « GNSS » виходить з ладу. Система « INS » може продовжувати передавати дані про орієнтацію та рух до системи керування польотом, навіть коли інші джерела навігації стають недоступними.

Цей самий принцип застосовується до безпілотних систем, що діють в умовах, де ведеться боротьба за контроль над простором. Інерційна навігація дозволяє автономним платформам підтримувати навігацію, коли GPS або інші зовнішні сигнали стають недоступними. Крім того, архітектури «навігація за відхиленням» ( GNSS), що використовують технологію «навігація за відхиленням» ( INS ), поєднують інерційні вимірювання із зовнішніми орієнтирами, щоб обмежити накопичені навігаційні похибки.

Однак використання системи з фіксованим відліком ( INS ) не усуває дрейф навігації. Невеликі похибки датчиків накопичуються під час інтеграції, тому невизначеність положення, як правило, зростає в міру роботи системи без зовнішніх корекцій. Тому якість датчиків стає особливо важливою для місій, що вимагають тривалої роботи в режимі «закритих очей» ( GNSS) —denied .

Це пояснює, чому інженери оцінюють характеристики інерційних датчиків з урахуванням очікуваних умов виконання місії. На ефективність навігації можуть впливати стабільність зміщення гіроскопа, зміщення акселерометра, шум вимірювань, частота оновлення, вібрація, температура та механічна інтеграція.

2 – Вибір навігаційних датчиків для автономних місій

Вибір інерційного датчика залежить насамперед від вимог місії, а не лише від категорії датчика. Автономні БПЛА, керовані системи та інші платформи можуть висувати дуже різні вимоги щодо точності, розмірів, ваги та потужності (SWaP), динамічних характеристик, вібростійкості та інтеграції з системою управління польотом ( GNSS ).

Система вимірювання положення ( IMU ) забезпечує основні інерційні вимірювання за допомогою гіроскопів та акселерометрів. Система визначення орієнтації ( AHRS ) обробляє ці вимірювання для отримання інформації про орієнтацію. Система визначення положення та орієнтації ( INS ) поєднує інерційні вимірювання з навігаційною обробкою та, залежно від архітектури, зовнішніми допоміжними даними, такими як GNSS.

Клас датчика також впливає на те, як швидко накопичуються помилки навігації під час перебоїв у роботі системи « GNSS ». Інерційні датчики з вищими технічними характеристиками, як правило, забезпечують меншу нестабільність зміщення та менший рівень шуму вимірювань. Однак інженери повинні знайти баланс між цими характеристиками та такими параметрами, як розмір, вага, енергоспоживання, вартість та вимоги до інтеграції.

Наші MEMS-інерційні вимірювальні блоки (IMU) ідеально підходять для систем наведення, навігації та стабілізації платформ, зокрема для керованих ракет, плануючих бомб та снарядів.

Важливе значення має також інтеграція. Датчик повинен надавати дані з відповідною частотою та ефективно взаємодіяти з бортовим комп’ютером платформи, навігаційним програмним забезпеченням та іншими датчиками. Механічне кріплення також може впливати на продуктивність, оскільки вібрація та динаміка конструкції можуть спричиняти додаткові похибки вимірювань.

Отже, для виконання автономних місій дронів інженери повинні оцінити:

• Стабільність зміщення гіроскопа для забезпечення довгострокової інерційної роботи.
• Характеристики акселерометра для визначення швидкості та положення.
• Шум вимірювань, що впливає на короткочасну стабільність навігації.
• Частота оновлення та затримка для адаптивних контурів регулювання.
• Захист від вібрацій для літальних апаратів з високими динамічними характеристиками.
• Температурні характеристики в межах робочого діапазону.
• SWaP для інтеграції в існуючий об’єм платформи.
• GNSS інтеграція, коли супутникова підтримка залишається доступною.
• Інтерфейси та програмне забезпечення для інтеграції з архітектурою транспортного засобу.

Розрізнення між класами датчиків набуває особливого значення, коли місія вимагає безперервності навігації під час перебоїв у роботі системи « GNSS ». Компактні MEMS-системи можуть підходити для платформ з обмеженими параметрами SWaP, тоді як тактичні системи з вищими характеристиками можуть забезпечити підвищену інерційну стабільність для складних завдань.

3 – Високоточний прилад « INS » для операцій BVLOS та ISR

Місії за межами прямої видимості (BVLOS) та місії збору розвідувальної інформації, спостереження та розвідки (ISR) висувають додаткові вимоги до навігаційних систем. Ці платформи можуть діяти на великих територіях і потребувати стабільних даних про орієнтацію та навігацію протягом тривалих польотів.

Система управління навігацією та контролем польоту ( INS ) повинна підтримувати архітектуру системи управління польотом літака, одночасно забезпечуючи безперебійну подачу навігаційної інформації до корисних навантажень та систем виконання завдань. Ця вимога робить інтеграцію датчиків важливою складовою загальної навігаційної архітектури.

INS , призначений для тактичного застосування, може поєднувати високопродуктивні інерційні датчики з допоміжними даними GNSS та вбудованими алгоритмами навігації. За наявності даних GNSS навігаційний фільтр може використовувати супутникові вимірювання для обмеження інерційного дрейфу. Під час перебоїв у роботі GNSS система може продовжувати використовувати інерційні вимірювання, доки зовнішні допоміжні дані знову не стануть доступними.

Необхідний клас датчика залежить від тривалості місії, динаміки платформи, очікуваної тривалості перебоїв у роботі та допустимої похибки навігації. Тому інженери повинні визначити ці параметри перед тим, як вибрати IMU або INS.

SBG Systems розробляє інерційні навігаційні датчики для застосувань, що вимагають точних даних про орієнтацію, рух та навігацію. Асортимент продукції компанії включає інерційні вимірювальні блоки (IMU), інерційні та магнітні вимірювальні блоки ( AHRS, MRU), а також рішення для вимірювання положення та орієнтації ( INS ) з використанням системи вимірювання положення та орієнтації ( GNSS) для автономних платформ та платформ з високими вимогами.

У разі автономних БПЛА та оборонних застосувань мета полягає не просто у виборі інерційного датчика з високими технічними характеристиками. Натомість інженери повинні узгодити експлуатаційні показники датчика, його інтеграцію та характеристики щодо навколишнього середовища з архітектурою навігаційної системи в цілому.

У результаті було створено навігаційну систему, розроблену з урахуванням реальних обмежень місії, зокрема доступності системи « GNSS », динамічних характеристик, вібрації, параметрів SWaP та необхідної точності навігації.

Основні висновки

1. INS забезпечує безперервне вимірювання руху та орієнтації, коли система « GNSS » недоступна.
2. Навігація за розрахунками дозволяє автономним платформам продовжувати рух у разі збою в роботі системи « GNSS ».
3. Інерційні похибки накопичуються з часом, тому під час тривалих перебоїв у роботі працездатність датчиків відіграє вирішальну роль.
4. Стабільність зміщення гіроскопа та шум вимірювання суттєво впливають на ефективність інерційної навігації.
5. На продуктивність на системному рівні також впливають інтеграція датчиків, вібрація, температура, параметри SWaP та інтерфейси.
6. INS , призначені для тактичного застосування, можуть забезпечувати роботу в складних автономних системах, коли вимоги до виконання завдань перевищують можливості звичайних навігаційних датчиків.