Stellar-40 Тактична інерціальна навігаційна система

---

Dead reckoning — це метод навігації без сигналів GNSS, що базується на інерціальних даних та інформації з інших датчиків для підтримання безперервного трекінгу. Зазвичай у разі втрати сигналів GNSS система повністю втрачає своє положення. Завдяки методу dead reckoning система обчислює безперервне положення, яке з часом повільно дрейфуватиме. Швидкість цього дрейфу залежить від якості внутрішнього IMU та наявності зовнішніх допоміжних датчиків.

Система « Stellar-40» використовує наш власний протокол sbgECom, який базується на чітко визначених кадрах повідомлень. Завдяки цим заздалегідь визначеним повідомленням система може безперебійно отримувати аеродинамічні дані, дані про швидкість корпусу та дані про абсолютне положення від будь-якого зовнішнього датчика, здатного надавати таку інформацію.

Ні, оскільки це не є обов’язковим. Сучасний алгоритм об’єднання даних датчиків, що використовується в приладі « Stellar-40», автоматично обчислює та оцінює вітрові умови в режимі реального часу, завдяки чому вам не потрібно вводити ці дані вручну.

Для наземних платформ Stellar-40 підтримує різноманітні допоміжні вхідні дані для підвищення точності навігації, особливо в умовах denied GNSS. До них належать апаратні одометри (окометрія коліс), корекція швидкості від зовнішніх датчиків (таких як LiDAR або оптичні датчики) та корекція абсолютного положення.

Правильний вибір залежить від умов експлуатації. Ми настійно рекомендуємо використовувати версію з демпфуванням для платформ, що працюють у суворих умовах з сильними вібраціями, таких як безпілотні літальні апарати для глибоких ударів або безпілотні наземні транспортні засоби (UGV). Якщо ви не впевнені, яка версія підходить для вашого застосування, наша служба підтримки готова допомогти вам зробити правильний вибір.

Що таке SBAS?

Satellite-Based Augmentation System (SBAS) — це технологія розширення GNSS, яка покращує точність, цілісність, доступність і безперервність супутникового позиціонування. Спочатку розроблена для підтримки авіації, SBAS стала цінним навігаційним помічником для таких застосувань, як БПЛА, морська навігація, precision agriculture, ГІС-картографування, автономні транспортні засоби та інерціальні навігаційні системи (INS). На відміну від кінематики в реальному часі (RTK) або точного точкового позиціонування (PPP), SBAS забезпечує безкоштовне позиціонування метрового рівня без необхідності використання локальної базової станції чи підключення до Інтернету.

Автономний приймач GNSS визначає своє положення шляхом вимірювання псевдодальностей до супутників, що належать до таких сузір'їв, як GPS, Galileo, GLONASS або BeiDou. Однак на ці вимірювання впливають кілька джерел похибок, зокрема дрейф годинника супутника, похибки орбіти (ефемерид), іоносферна затримка, тропосферна затримка, шум приймача та багатопроменевість. SBAS постійно оцінює найбільші з цих похибок і транслює виправлення в реальному часі, які значно покращують навігаційне рішення.

Архітектура SBAS спирається на мережу точно виміряних опорних станцій, розподілених по регіону. Ці станції постійно контролюють сигнали GNSS і порівнюють виміряні відстані до супутників з їх відомими положеннями для оцінки похибок годинника, орбіти та іоносфери супутника. Вимірювання передаються до головних центрів керування, які об'єднують дані з усіх опорних станцій для створення повідомлень про корекцію та інформації про цілісність. Потім ці повідомлення передаються на геостаціонарні супутники, які ретранслюють їх на приймачі GNSS з підтримкою SBAS. Приймач застосовує корекції перед обчисленням свого положення, ефективно зменшуючи основні джерела похибок, що впливають на вимірювання псевдодальності.

З математичної точки зору скориговане псевдовідстань можна виразити таким чином:

Pвиправлено​ = Pвиміряне​ − Δгодинник ​− Δорбіта​ − Δіоно​

де Pвиміряне — це початкове значення псевдодальності, Δгодинник позначає поправку на годинник супутника, Δorbit​ — це орбітальна поправка, а Δiono — це поправка на іоносферну затримку.

Ці виправлення зазвичай зменшують похибку горизонтального позиціонування автономного GNSS приблизно з 3–10 метрів до близько 1–2 метрів. Хоча цей рівень точності нижчий за показники сантиметрового рівня, що досягаються за допомогою RTK або PPP, SBAS пропонує величезну перевагу: моніторинг цілісності. Замість простого покращення точності позиціонування, SBAS безперервно оцінює справність кожного контрольованого супутника та швидко попереджає користувачів, якщо супутник стає ненадійним через аномалії годинника, похибки орбіти або погіршення сигналу. Ця функція є важливою для критично важливих додатків безпеки, де користувачі повинні знати, чи можна довіряти навігаційному рішенню.

У всьому світі працюють кілька регіональних служб SBAS. Серед них WAAS у Північній Америці, EGNOS в Європі, MSAS в Японії, GAGAN в Індії, SDCM в Росії, KASS у Південній Кореї та SouthPAN в Австралії та Новій Зеландії. Сучасні багаточастотні приймачі GNSS зазвичай підтримують кілька служб SBAS автоматично, залежно від їхнього географічного розташування.

Для інерціальних навігаційних систем SBAS забезпечує більш точне та надійне посилання GNSS, яке покращує роботу злиття датчиків. Розширений фільтр Калмана (EKF) використовує скориговані вимірювання положення та швидкості GNSS, щоб періодично обмежувати дрейф, накопичений інерціальними датчиками. Порівняно з автономною GNSS, SBAS зменшує шум вимірювань і похибки, пов'язані із супутниками, що призводить до більш стабільних оновлень положення та швидкості, водночас надаючи цінну інформацію про цілісність для навігаційних алгоритмів. Однак SBAS не збільшує частоту оновлення GNSS і не може компенсувати збої GNSS. Під час перебоїв у сигналах загальна ефективність навігації все одно залежить переважно від якості IMU та ефективності алгоритму оцінки INS.

Тому SBAS є чудовим рішенням для додатків, які вимагають безкоштовного, глобально доступного позиціонування метрового рівня з високою надійністю та цілісністю. Вона особливо добре підходить для автономних транспортних засобів, БПЛА, морської навігації, сільського господарства та промислових систем, де надійна навігація є важливішою за досягнення сантиметрової точності. Коли для додатків потрібне геодезичне позиціонування, RTK або PPP залишаються кращими методами корекції, тоді як SBAS служить надійним і загальнодоступним доповненням до звичайної навігації GNSS.

Як інерціальні навігаційні системи підтримують позиціонування під час збоїв GNSS

1 – Інтеграція інерціальних навігаційних систем і GNSS

Інерціальна навігаційна система (INS) визначає положення, швидкість і орієнтацію за допомогою вбудованих інерціальних вимірювань. В основі системи лежить інерціальний вимірювальний блок (IMU), який об'єднує три акселерометри та три гіроскопи. Акселерометри вимірюють питому силу, тоді як гіроскопи вимірюють кутову швидкість вздовж трьох ортогональних осей.

Навігаційний комп'ютер обробляє ці вимірювання з високою швидкістю. Спочатку він інтегрує дані гіроскопа, щоб оцінити зміни положення літального апарата. Потім він перетворює виміряне прискорення в навігаційну систему відліку та компенсує вплив гравітації та інших відомих факторів. Нарешті, він інтегрує прискорення, щоб оцінити швидкість і положення. Цей процес дозволяє системі « INS » отримувати безперервне навігаційне рішення без використання зовнішніх сигналів.

Коли доступний GNSS, INS зазвичай працює як частина інтегрованого рішення GNSS/INS. GNSS надає зовнішнє посилання для положення та швидкості, тоді як IMU забезпечує високочастотні вимірювання руху. Навігаційний фільтр об'єднує обидва джерела для оцінки стану транспортного засобу та обмеження інерціальних похибок.

Коли сигнали GNSS стають недоступними, система перемикається на інерціальне поширення, яке часто називають dead reckoning. INS продовжує інтегрувати вимірювання гіроскопів і акселерометрів з останнього відомого навігаційного стану. У результаті вона може підтримувати безперервний вивід координат положення, швидкості та орієнтації протягом усього періоду відсутності сигналу.

Однак інерціальна навігація не усуває похибки позиціонування під час збою. Зсув датчика, шум, похибки коефіцієнта масштабу, зміщення та інші недоліки накопичуються в результаті інтеграції. Зокрема, похибки акселерометра впливають на швидкість, а потім і на положення, тоді як похибки гіроскопа впливають на положення та можуть створювати додаткові похибки позиціонування через неправильну компенсацію гравітації.

Тому тривалість і величина збою GNSS безпосередньо впливають на результуючу похибку визначення координат. Високопродуктивні інерціальні датчики зменшують зростання похибки та дозволяють системі долати триваліші перебої, перш ніж накопичене зміщення стане суттєвим.

Маючи майже двадцятирічний досвід розробки та виробництва інерціальних датчиків, SBG Systems створює технології IMU та INS, призначені для забезпечення надійної навігації в умовах обмеженого або перерваного доступу до GNSS.

2 – Фільтрація за Калманом та об’єднання даних датчиків

Злиття датчиків дозволяє системі GNSS/INS об'єднувати вимірювання з різними характеристиками. IMU забезпечує безперервні високочастотні вимірювання, але з часом накопичує похибки. GNSS забезпечує еталон абсолютного положення, але може стати недоступним або оновлюватися рідше. Навігаційний фільтр поєднує ці взаємодоповнюючі характеристики для оцінки стану транспортного засобу.

Для такого типу оцінювання стану широко застосовується фільтр Калмана. У практичних додатках INS система зазвичай використовує розширений фільтр Калмана (EKF), оскільки рівняння, що описують рух і орієнтацію транспортного засобу, є нелінійними. EKF підтримує оцінку навігаційного стану та його невизначеності, обробляючи вимірювання від наявних датчиків.

Цей процес складається з двох основних етапів: прогнозування та оновлення вимірювань.

Під час прогнозування фільтр використовує попередній навігаційний стан та останні вимірювання IMU для оцінки наступного стану. Він також поширює пов'язану з цим невизначеність. Під час оновлення вимірювань фільтр порівнює доступні зовнішні вимірювання з прогнозованим станом. Потім він використовує різницю (або інновацію) для оновлення оцінки стану та зменшення її невизначеності.

У системі GNSS/INS вимірювання GNSS надають зовнішні спостереження, які обмежують інерціальний дрейф. Фільтр також може оцінювати такі параметри, як зсуви акселерометра та гіроскопа, коли модель системи та доступні вимірювання роблять ці параметри спостережуваними.

Це важливе розрізнення: фільтр Калмана не просто усуває всі похибки з усіх бортових датчиків. Натомість він оцінює стан навігації та відповідні стани похибок на основі математичної моделі та наявних вимірювань. Залишкові похибки залишаються, оскільки недосконалості датчиків, неточності моделі та непомітні збурення неможливо повністю усунути.

Коли GNSS стає недоступною, фільтр може продовжувати поширювати навігаційне рішення за допомогою інерціальних вимірювань. Проте без зовнішніх спостережень у системи залишається менше можливостей для обмеження станів похибки. Як наслідок, невизначеність зростає в міру продовження збою. Коли вимірювання GNSS знову стають доступними, фільтр порівнює їх з інерціальним рішенням і використовує отриману поправку для коригування оціненого стану та накопичених похибок. Це дозволяє системі GNSS/INS плавно перемикатися між навігацією з підтримкою GNSS та інерціальним поширенням.