Распространенные решения для интегрированной навигации GNSS/INS при потере спутникового сигнала

Ключевые моменты

Продукт: решения интегрированной навигации GNSS/INS.

Ключевые особенности:

• Состав: интегрированная система включает GNSS-приемник, инерциальный измерительный блок (IMU) и дополнительные датчики, такие как LiDAR или одометры.
• Функция: поддерживает точность и стабильность при потере GNSS-сигнала за счет дополнительных датчиков или ограничений состояния движения, таких как ZUPT.
• Применение: идеально подходит для городской навигации, горнодобывающей отрасли, нефтяного каротажа и других сред с возможным экранированием сигнала.
• Инерциальная навигация: использует гироскопы и акселерометры для измерения положения, скорости и ускорения.

Вывод: конструкция интегрированной системы продолжает развиваться, предлагая решения, повышающие устойчивость в сложных условиях при балансе между стоимостью и сложностью.

В системе интегрированной навигации GNSS/INS измерения GNSS играют важнейшую роль в коррекции INS. Поэтому корректная работа интегрированной системы зависит от непрерывности и стабильности спутниковых сигналов. Однако при работе системы под путепроводами, под кронами деревьев или в городской застройке спутниковые сигналы легко экранируются или подвергаются помехам, что потенциально может приводить к потере захвата в GNSS-приемнике. В этой статье обсуждаются решения для поддержания точности и стабильности систем интегрированной навигации GNSS/INS при потере спутниковых сигналов.

Когда спутниковый сигнал недоступен в течение длительного времени, отсутствие GNSS-коррекции вызывает быстрое накопление ошибок INS, особенно в системах с инерциальными измерительными блоками более низкой точности. Эта проблема приводит к снижению точности, стабильности и непрерывности работы интегрированной системы. Следовательно, для повышения устойчивости интегрированной системы в таких сложных условиях необходимо решать эту задачу.

1. Два основных решения для устранения потери сигнала в GNSS/INS

В настоящее время существуют два основных решения для сценария потери спутникового сигнала.

Решение 1: интеграция дополнительных датчиков

С одной стороны, в существующую систему GNSS/INS можно интегрировать дополнительные датчики, такие как одометры, LiDAR, астрономические датчики и визуальные датчики. Таким образом, когда потеря спутникового сигнала делает GNSS недоступной, вновь добавленные датчики могут предоставлять измерительную информацию и формировать новую интегрированную систему вместе с INS для подавления накопления ошибок INS. Недостатками такого подхода являются увеличение стоимости системы из-за дополнительных датчиков и возможное усложнение конструкции, если новые датчики требуют сложных фильтрационных моделей.

Рис.1 Системный обзор интегрированной навигационной системы GNSS IMU ODO LiDAR SLAM.

Решение 2: технология ZUPT

С другой стороны, модель позиционирования с ограничениями состояния движения можно построить на основе характеристик движения транспортного средства. Этот метод не требует добавления новых датчиков в существующую интегрированную систему, тем самым позволяя избежать дополнительных затрат. Когда GNSS недоступна, новая измерительная информация предоставляется ограничениями состояния движения для подавления расхождения INS. Например, когда транспортное средство неподвижно, для подавления накопления ошибок INS можно применять технологию обновления нулевой скорости (ZUPT).

ZUPT является недорогим и широко используемым методом уменьшения расхождения INS. Когда транспортное средство неподвижно, его скорость теоретически должна быть равна нулю. Однако из-за накопления ошибок INS с течением времени выходная скорость не равна нулю, поэтому выходную скорость INS можно использовать как измерение ошибки скорости. Таким образом, на основе ограничения, согласно которому скорость транспортного средства равна нулю, можно построить соответствующее уравнение измерения, предоставляющее измерительную информацию для интегрированной системы и подавляющее накопление ошибок INS.

Рис.2 Блок-схема тесно связанного алгоритма GNSSIMU на основе ZUPT с CERAV.

Однако применение ZUPT требует, чтобы транспортное средство было неподвижным, поэтому это статическая технология обновления нулевой скорости, которая не может предоставлять измерительную информацию во время обычных маневров транспортного средства. На практике это требует, чтобы транспортное средство часто останавливалось из движущегося состояния, снижая его маневренность. Кроме того, ZUPT требует точного определения моментов неподвижности транспортного средства. Если определение не удается, может быть предоставлена неверная измерительная информация, что потенциально приведет к отказу этого метода и даже к снижению точности интегрированной системы или ее расхождению.

Заключение

Потеря спутниковых сигналов может вызывать быстрое накопление ошибок в INS, особенно в сложных условиях, таких как городская среда. Представлены два основных решения: добавление дополнительных датчиков, таких как LiDAR или визуальные датчики, для предоставления альтернативных измерений, либо использование ограничений состояния движения, таких как технология обновления нулевой скорости (ZUPT), для коррекции ошибок INS. Каждый подход имеет свои преимущества и трудности: интеграция датчиков увеличивает стоимость и сложность, тогда как ZUPT требует неподвижности транспортного средства и точного определения этого состояния для эффективной работы.

Компания Micro-Magic Inc находится на переднем крае технологий инерциальной навигации и недавно представила три MEMS INS с поддержкой GNSS и различными уровнями точности (промышленный уровень, тактический уровень и навигационный уровень). В частности, MEMS GNSS/INS промышленного уровня I3500 обладает нестабильностью смещения 2,5°/hr и угловым случайным блужданием 0,028°/√hr, а также высокоточным MEMS-акселерометром с большим диапазоном (±6g, нестабильность нулевого смещения <30μg).