Исследование эффективности существующих навигационных систем

За последние четыре десятилетия наблюдается экспоненциальный рост использования инерциальных технологий для удовлетворения военных и гражданских потребностей в воздушной и наземной навигации. В последние годы наблюдается рост интереса к инерциальным навигационным системам (ИНС) аналитического типа, главным образом в связи с появлением быстрых и относительно недорогих микропроцессоров [1]. С начала 1960-х годов современная навигация использует гибридные (интегрированные) навигационные системы, в которых различные электронные чувствительные устройства (сенсоры) используются для сбора информации, необходимой для определения “непрерывного” местоположения управляемого транспортного средства и уменьшения ошибок инерциальных датчиков. Разработаны интегрированные системы, объединяющие несколько независимых навигационных датчиков, таких как инерциальный измерительный блок, доплеровский радар и устройств. Рассмотрим и сравним производительности и эффективность GPS, ИНС и интегрированных навигационных систем GPS/ИНС.

Инерциальная навигационная система

Малогабаритные и недорогие инерциальные навигационные системы исполь- зуются во многих областях применения, таких как персональная навигация, автомобильная навигация, беспилотные летательные аппараты (БПЛА) и авиация общего назначения. Достижения в области волоконно-оптических гироскопов и мик-роэлектромеханических систем (MEMS) обещают многообещающие перспективы в развитии таких систем [2]. По сравнению с системами более высокого класса, недорогие ИНС могут давать большие ошибки в определении местоположения и ориентации за короткие промежутки времени. В основном это связано с большими погрешностями в выходных данных датчиков, и поэтому ИНС, построенные на основе этих датчиков, подвержены нелинейным ошибкам, особенно когда ошибки ориентации становятся очень большими. Если повысить точность недорогого ИНС, то можно снизить затраты в существующих приложениях и создать новые приложения.

В работе [3] был использован новый метод калибровки в полевых условиях, который был разработан и успешно протестирован. С помощью информации о калибровке акселерометра можно было устранить почти половину погрешности позиционирования. Все компоненты ориентации сходились в течение трех минут при среднеквадратичных неголономных ограничениях 0,030, что значительно уменьшало погрешность горизонтального позиционирования с точностью до 40 м за 20 минут работы. Таким образом, недорогая ИНС может использоваться в качестве автономной системы определения местоположения во время перерывов в работе GPS более чем на 10 минут.

В работе [4] рассмотрена разработка и внедрение встроенной ИНС, использующей инерциальный измерительный блок (IMU), цифровой компас, GPS и встроенную компьютерную систему. ИНС была способна обеспечивать непрерывную оценку местоположения и ориентации транспортного средства. Как правило, IMU – это очень дорогие системы, однако в этой ИНС будут использоваться «недорогие» компоненты. К сожалению, низкая стоимость приводит к низкой производительности, что является основной причиной включения в систему GPS, компаса и фильтрации по Калману. Таким образом, IMU будет использовать акселерометры и гироскопы для интерполяции между позициями GPS с частотой 1 Гц. Выходное уравнение акселерометра получено для связи линейного и углового движений твердого тела относительно неподвижной инерциальной системы отсчета. Задано достаточное условие для определения того, возможна ли конфигурация акселерометров. Если условие выполнено, угловое и линейное перемещения могут быть вычислены раздельно с использованием двух несвязанных уравнений динамической системы ввода–вывода: уравнения состояния для угловой скорости и выходного уравнения для линейного ускорения. Проанализировано влияние ошибок определения местоположения акселерометра и его ориентации. Разработаны алгоритмы, которые выявляют и компенсируют эти ошибки.

Глобальная система позиционирования (GPS)

Глобальная система позиционирования, или GPS, была разработана с целью обеспечения точного позиционирования и навигации в любом месте на поверхности Земли или вблизи нее. В дополнение к американской системе GPS NAVSTAR, была создана российская система ГЛО-

НАСС и китайская Бэйдоу. Другие подобные системы находятся в стадии проектирования. Ключевым измерением является время прохождения сигналов GPS от конкретного космического аппарата до навигационного приемника. Точность навигации может составлять порядка десятых долей метра, а точность на сантиметровом уровне также может быть достигнута с помощью специальных методов улучшения. В последние годы космические аппараты используют GPS для навигации на орбите. Поскольку приемник является твердотельным, надежным, маломощным и дешевым, GPS для автономной навигации будет востребован даже на недорогих космических аппаратах небольшой сложности.

Cравнение производительности двух популярных алгоритмов грубой обработки данных, метода суммирования дисперсий (VSM) и метода соотношения мощностей, с точки зрения их оценок было проведено в 1) аддитивном белом гауссовом шуме (AWGN), 2) узкополосные непрерывные волновые помехи (CWI), 3) их реакция на эффекты квантования и насыщения и 4) динамический диапазон [5]. Алгоритмы были реализованы в составе программного приемника. Рассмотрены два набора GPS-данных L1; один был получен из системы сбора необработанных данных GPS, а другой – из имитатора сигнала GPS. Собранный набор был сохранен с почти постоянным отношением сигнал/шум C/N 0 , в то время как смоделированный набор содержал переменные уровни C/N 0 . Влияние добавления AWGN на оценку C/N 0 было прямо пропорционально мощности шума. VSM показал хорошее отслеживание при высоких уровнях C/N 0 и лучшую устойчивость к ограниченным уровням квантования.

Первоначально были проведены полевые испытания двух различных GPS-приемников в условиях городского каньона и листвы, чтобы оценить эффективность определения местоположения каждого приемника. Затем были разработаны тестовые сценарии для многоканального имитатора спутникового сигнала GPS, чтобы создать контролируемые и воспро- изводимые сигналы для приемников GPS. В сценариях учитываются фактические спутниковые группировки на тот же день, время и места сбора полевых данных. Количественные результаты продемонстрировали хорошую корреляцию между результатами, полученными с использованием разработанных сценариев тестирования, и результатами полевых испытаний. Предлагаемая методология позволит сократить затраты на валидацию и время вывода на рынок.

Интеграция GPS/ИНС

Интеграция GPS с инерциальной навигационной системой повышает качество и целостность каждой навигационной системы: использование GPS позволяет откалибровать погрешности инерциальных приборов, а ИНС можно использовать для улучшения характеристик отслеживания и повторного получения данных GPS-приемником [6]. Существует два метода калибровки ошибок, которые могут быть реализованы в интегрированной системе GPS/ИНС: метод прямой связи (или разомкнутого контура) и метод обратной связи (или замкнутого контура), как показано на рисунке (1).

Рис. 1. Концепция инерционного вспомогательного средства

Кроме того, существует два основных типа методов интеграции данных GPS и ИНС в систему. Это слабо связанные и тесно связанные методы. Навигационный процессор внутри GPS-приемника вычисляет местоположение и скорость, используя только наблюдаемые данные GPS. Внешний навигационный фильтр вычисляет местоположение, скорость и ориентацию на основе необработанных измерений инерциального датчика и использует данные GPS о местоположении и скорости для калибровки ошибок ИНС. Преимущество слабосвязанной системы заключается в том, что GPS-приемник можно рассматривать как «черный ящик». Смешанный навигационный фильтр упрощается, если использовать предварительно обработанные GPS-данные о местоположении и ско- рости. Однако, если происходит сбой в работе GPS, GPS перестает выдавать обработанные измерения, и калибровка инерциального датчика с помощью фильтра GPS/ИНС также прекращается.

Выводы

Для определения местоположения используются две основные навигационные системы: глобальная система позиционирования (GPS) и бесплатформенная инерциальная навигационная система, каждая из которых имеет свои сильные и слабые стороны. GPS требует наличия прямой видимости между приемником и спутником, которую не всегда можно обеспечить, отсутствия ориентации, информации и проблем с помехами во время навигации (начальное положение, скорость и сила тяжести земли), а его точность со време- нем ухудшается. В целом, интеграция GPS/ИНС обеспечивает надежные навига- ционные решения, устраняя все их недостатки, включая блокировку сигнала GPS и увеличение ошибок определения местоположения с течением времени для ИНС. Большинство существующих навигационных систем используют фильтрацию Кал-мана для объединения данных GPS и ИНС.

Методы интеграции GPS/ИНС с фильтрацией Калмана имеют некоторые недостат- ки, связанные с моделями стохастических ошибок инерциальных датчиков, помехоустойчивостью и повторяемостью. Таким образом, ожидается, что интеграция GPS и ИНС получит более широкое распространение в результате появления недорогих инерциальных датчиков.