Тісне зв'язування являє собою вдосконалену стратегію злиття даних, критично важливу для надійної та високоточної інтеграції глобальної навігаційної супутникової системи (GNSS) та інерціальної навігаційної системи (INS). Цей підхід поєднує сильні сторони обох систем — довгострокову стабільність від GNSS та високочастотну короткострокову точність від INS — шляхом злиття їхніх основних вимірювань безпосередньо в єдиному оцінювачі, зазвичай фільтрі Калмана. Продуктивність різко зростає, особливо коли сигнали GNSS частково заблоковані або погіршені.
Приймачі GNSS визначають положення шляхом вимірювання часу проходження сигналів від кількох супутників. Цей процес дає абсолютні координати положення з точністю, що залежить від видимості супутників та геометрії. Однак GNSS вразлива до збоїв сигналу в таких середовищах, як міські каньйони чи ліси, що призводить до пропусків даних і втрати навігації (дрейфу).
Системи з тісним зв'язуванням використовують вимірювання параметрів допоміжного сигналу для пом’якшення дрейфу в INS. Порівняно із системами зі слабким зв'язуванням, тісне зв'язування оновлює стани похибок INS навіть тоді, коли недостатньо даних GNSS для фіксації положення. Така ситуація виникає, коли видно менше чотирьох супутників GNSS, що унеможливлює визначення навігаційного рішення виключно за інформацією GNSS.
У системах зі слабким зв’язуванням ця ситуація спричиняє повну втрату даних. Однак системи з тісним зв’язуванням можуть використовувати обмежені вимірювання GNSS, що дозволяє їм частково пом'якшити дрейф похибки INS.
Для досягнення цієї мети системи з тісним зв'язуванням повинні калібрувати IMU (інерціальний вимірювальний блок) у реальному часі, зосереджуючись зокрема на періодах, коли сигнал GNSS не загороджений. Це калібрування забезпечує точне знання похибки IMU та тренує IMU передбачати майбутнє місцеперебування сигналу GNSS (прогнозоване моделювання).
Дозволяючи IMU оцінювати дійсність і точність сигналу GNSS та вибирати сигнал GNSS, що відповідає його прогнозу, система встановлює міцний зв'язок між IMU та GNSS.
Архітектура тісного зв'язку
Основна ідея тісного зв’язку полягає у використанні вимірювань GNSS та фази несучої хвилі GNSS безпосередньо на етапі оновлення спостережень у фільтрі Калмана. Це суттєво відрізняється від слабкого зв’язку, де фільтр Калмана використовує повністю оброблене, автономне рішення GNSS та швидкості GNSS .
У системі з тісним зв’язком вектор стану фільтра Калмана зазвичай включає стани INS :
- Похибки положення (δr)
- Похибки швидкості (δv)
- Похибки курсу (δ𝛙)
- Похибки IMU (акселерометра та гіроскопа)
Фільтр Калмана використовує рівняння INS на етапі прогнозування. Це дозволяє прогнозувати INS на майбутній час на основі IMU з високою частотою оновлення.
Переваги тісного зв'язку
Тісна взаємодія має низку значних переваг, особливо для завдань постобробки, коли після завершення місії доступні всі дані датчиків. На відміну від слабкої взаємодії, яка вимагає сигналу щонайменше від чотирьох GNSS для обчислення тривимірного положення, тісна взаємодія потребує лише одного видимого супутника. На основі одного вимірювання псевдодальності фільтр Калмана все одно може обчислити вектор корекції похибки, який ефективно стримує INS . Ця здатність є життєво важливою в умовах часткового затінення.
Використовуючи необроблені GNSS , фільтрація може безпосередньо моделювати та оцінювати зміщення годинника GNSS у векторі стану. Цей глибокий рівень інтеграції забезпечує більш точне та прецизійне загальне навігаційне рішення, особливо при поєднанні вимірювань фази несучої для методів постобробки Real-Time Kinematic (RTK) або Precise Point Positioning (PPP).
Безперервний, інтегрований процес корекції забезпечує більш плавну та стабільну якість навігації. Алгоритми оптимально зважують високоточні INS з часто зашумленими GNSS . Під час GNSS добре відкалібрована INS завдяки безперервній оцінці зміщення ) забезпечує чудове dead-reckoning .
Пост-обробка передбачає пряме та зворотне фільтрування. Дані спочатку обробляються в хронологічному порядку (прямий фільтр). Потім зворотний фільтр обробляє дані у зворотному порядку, використовуючи остаточні прямі оцінки як початкові умови. Згладжувач з фіксованим інтервалом (наприклад, згладжувач Рауха-Тунга-Штрібеля) згладжує результати обох фільтрів. Цей етап згладжування забезпечує найточніше, статистично оптимальне рішення траєкторії, використовуючи всі доступні дані за весь час місії. Це робить тісне сполучення золотим стандартом для високоточних застосувань, таких як картографування та геодезія.
