Інерційне положення

Повернутися до глосарію

Інерційне положення — це розрахункове тривимірне розташування рухомого тіла, яке обчислюється виключно на основі інерційних вимірювань. Інерційна навігаційна система (INS) визначає це положення шляхом безперервного інтегрування даних про прискорення, отриманих від інерційного вимірювального блоку (IMU), з урахуванням положення транспортного засобу та обертання Землі. Оскільки обчислення базуються виключно на даних бортових датчиків, інерційне положення залишається доступним у середовищах, де глобальні навігаційні супутникові системи (GNSS) недоступні або ненадійні.

Процес оцінювання починається з конкретних вимірювань сили, отриманих за допомогою тривісних акселерометрів у системі відліку корпусу. INS ці вимірювання в систему відліку навігації за допомогою матриці орієнтації $\mathbf{C}_b^n$​, отримані за допомогою гіроскопів або системи орієнтації та курсу (AHRS). Потім відновлюється гравітація для визначення справжнього лінійного прискорення:

$$\mathbf{a}_n = \mathbf{C}_b^n \mathbf{f}_b + \mathbf{g}_n$$

де $\mathbf{f}_b$ — це виміряне питоме зусилля, а $\mathbf{g}_n$​ — це вектор місцевої гравітації.

Швидкість обчислюється методом чисельного інтегрування:

$$\mathbf{v}(t)=\mathbf{v}_0+\int_{t_0}^{t}\mathbf{a}_n(\tau)\,d\tau$$

Координати випливають із другого інтегрування:

$$\mathbf{p}(t)=\mathbf{p}_0+\int_{t_0}^{t}\mathbf{v}(\tau)\,d\tau$$

Ці оновлення механізації виконуються в режимі реального часу з частотою дискретизації, яка зазвичай коливається від 100 Гц до понад 4000 Гц, щоб фіксувати високочастотну динаміку транспортного засобу та мінімізувати похибки чисельного інтегрування.

Зсувакселерометра спричиняє похибки швидкості, які лінійно зростають із часом, та похибки положення, що зростають квадратично.

Зсувгіроскопа спричиняє похибки орієнтації, які неправильно відображають гравітацію, створюючи додаткові похибки прискорення та прискорюючи дрейф положення. Як наслідок, інерційне положення поступово відхиляється від істинної траєкторії під час автономної роботи.

Зсув положення

Для обмеження відхилення від позиції під час тривалих операцій у сучасних навігаційних системах використовуються розширені фільтри Калмана (EKF), фільтри Калмана без запаху (UKF) або алгоритми згладжування графа положення. Фільтр оцінює вектори похибок повного стану (позиція, швидкість, орієнтація, похибки датчиків та коефіцієнти масштабування) шляхом об’єднання INS з високою частотою оновлення з даними абсолютних спостережень з нижчою частотою від допоміжних датчиків, таких як:

• Глобальні навігаційні супутникові системи (GNSS): завдяки використанню двох високоточних методів корекції — RTK та PPP — похибка зменшується до сантиметрів або навіть міліметрів.
• Акустичні/швидкісні датчики: доплерівські логарітми швидкості (DVL), колісні одометри
• Сенсори сприйняття: лідарна одометрія (LOAM), візуально-інерційна одометрія (VIO)

Під час GNSS вбудований фільтр обчислює оцінки стану за допомогою INS у dead-reckoning . Він використовує залишкові моделі датчиків, щоб обмежити зростання похибки до моменту відновлення зовнішніх опорних сигналів.

Високоефективний волоконно-оптичний гіроскоп (FOG), кільцевий лазерний гіроскоп (RLG) та INS тактичного класу INS точне інерційне визначення положення протягом тривалих періодів часу. Інерційне визначення положення забезпечує безперервне навігаційне рішення шляхом інтегрування динаміки руху. Його довгострокова точність залежить від характеристик інерційних датчиків та зовнішніх допоміжних вимірювань.