Inertial Explorer – мощное программное обеспечение для совместной обработки данных ГНСС+ИНС.

Что общего между высокоточной навигацией на земле, воде и воздухе? 

Высокоточное позиционирование наземных, водных и воздушных объектов с использованием ГНСС зачастую сопряжено с трудностями, связанными с кратковременным или долгосрочным блокированием спутниковых сигналов, как полностью, так и частично. Даже частичная блокировка спутниковых навигационных сигналов значительно ухудшает точность позиционирования.

При движении автомобиля или поезда на пути следования встречаются мосты, транспортные развязки и тоннели. Автомобильная или железная дорога может пролегать в горной или холмистой местности вдоль высоких склонов и других естественных препятствий. Очевидно, что ГНСС сигнал в таких условиях неизбежно будет прерываться. Свою лепту вносит и плотная городская застройка, когда прием спутниковых сигналов невозможен или ограничен.

Речные суда, как правило, ежедневно проходят под мостами разной ширины. Нередко, высокая береговая линия закрывает часть небосвода. При выполнении высокоточных гидрографических и различных изыскательских работ на воде очень важны параметры движения (ускорения) изыскательской аппаратуры в трех осях, поэтому, даже небольшие волны, оказывают существенное влияние на точность получаемых результатов.

Воздушные суда (объекты) зачастую подвергаются турбулентности, сносу ветром и воздействию сложных метеоусловий. Нередко летательные аппараты попадают в зоны глушения ГНСС сигналов. В этих случаях позиционирование существенно осложняется, а также затруднено вычисление таких параметров, как курс, крен, тангаж и рысканье.

Комплексирование ГНСС измерений с данными инерциальных систем в значительной степени улучшает точность позиционирования в неблагоприятных условиях, часть из которых описана выше, а в некоторых случаях инерциальные данные напрямую используются приложениями, требующими для своих задач мгновенные параметры движения объекта.

Запатентованная технология SPAN компании NovAtel позволяет объединить две разные, но взаимодополняющие технологии пространственного позиционирования — спутниковые и инерциальные методы пространственной навигации (ГНСС + ИНС). ГНСС приемники обеспечивают абсолютную точность спутниковых определений путем решения пространственной засечки по принимаемым спутниковым сигналам. В случае потери сигналов со спутников, на помощь приходят гироскопы и акселерометры инерциальных модулей, данные которых (ускорения, векторы скорости), позволяют непрерывно вычислять трехмерные координаты движущегося объекта. Таким образом, не происходит разрывов в определении координат точек траектории.

В зависимости от типа и технических характеристик гироскопов и акселерометров варьируются параметры времени «ухода» точности позиционирования в период полной потери приема спутниковых сигналов. Инерциальные измерительные модули различаются по типу используемых гироскопов и акселерометров, а модули одного типа имеют разную чувствительность, что влияет на точностно-временные характеристики всей системы (ГНСС + ИНС).

Инерциальные измерительные модули имеют разные габариты (вес и размер). К примеру, самые компактные Epson G320N и Epson G370N весят всего 10 г, а размер каждого из них составляет 24х24х10 мм. В то же время инерциальный измерительный модуль NovAtel ISA 100C весит 5 кг, его размеры 180х150х137 мм.

Помимо отдельных инерциальных измерительных модулей существуют и успешно применяются моноблочные (однокорпусные) ГНСС + ИНС системы, где в едином корпусе ГНСС и ИНС компоненты объединены на программно-аппаратном уровне. Такие устройства могут быть выполнены как в одно-, так и в двухантенном варианте.

С помощью двух одновременно работающих ГНСС антенн с высокой точностью определяются параметры курса движущегося объекта, а также максимально быстро выполняется инициализация инерциальной измерительной системы.

Комплексированные (ГНСС + ИНС) системы могут осуществлять непрерывное высокоточное позиционирование движущегося объекта в режиме реального времени, а также записывать «сырые» данные ГНСС и ИНС для последующей обработки в специализированном программном обеспечении.

Для случаев, когда требуется с максимально возможной точностью вычислить траекторию или определить трехмерное местоположение отдельно взятой точки этой траектории используются специализированные программы постобработки.

Мировым лидером в области совместной обработки ГНСС и ИНС измерений является программа Inertial Explorer (IE) компании NovAtel. 

Inertial Explorer имеет интерфейс и инструментарий обработки, идентичные программе GrafNav, а анализ «сырых» данных и результатов обработки выполняется с помощью расширенного списка сравнительных и оценочных графиков.

Наряду с традиционной обработкой только ГНСС данных, Inertial Explorer предназначен для совместной обработки ГНСС и ИНС данных, причем, в зависимости от задач и качества исходных данных можно выбрать два режима обработки: слабо связанный (LC) и жестко связанный (TC) (рис. 1).

Рис. 1 Выбор метода обработки ГНСС + ИНС данных (слабо связанный / жестко связанный).

При слабосвязанном режиме сначала обрабатываются только ГНСС данные, затем результаты обработки (координаты точек траектории и скорости) передаются в слабо связанный процессор (Loosely Coupled), где для вычисления траектории инерциальные данные уточняются ранее полученными ГНСС решениями.

Стандартно (по умолчанию) программа предлагает использовать ГНСС данные из комбинированного решения, однако могут быть выбраны альтернативные данные (внешняя траектория, например RTK). В таком двухэтапном режиме есть возможность добиться наилучшего результата обработки траектории по ГНСС данным — до совместной обработки LC.

В жестко связанном режиме ГНСС и ИНС данные обрабатываются одновременно. Этот режим предпочтителен, когда данные собирались в сложных условиях приема ГНСС сигналов. Поскольку он максимизирует использование ГНСС данных, так как в совместной обработке (Tightly Coupled) могут использоваться данные всего от двух спутников для расчета пройденного расстояния и направления. Это позволяет значительно уменьшить нарастание инерционной ошибки в период полного отсутствия решения местоположения по ГНСС данным. 

Обработка жестко связанных данных ГНСС приемника и инерциального модуля позволяет получать точные результаты даже при использовании инерциальных датчиков с не очень высокой чувствительностью.

Возможности IE удовлетворяют строгим требованиям различных приложений, таких как мобильное картографирование, аэрофотосъемка и гидрографические исследования. Программа может обрабатывать данные инерциальных модулей, выполненных на высокопроизводительных оптоволоконных гироскопах (FOG) или кольцевых лазерных гироскопах (RLG), а также на сенсорных технологиях более низкой точности, таких как микро электромеханические системы (MЭMС).

IE уже имеет несколько стандартных профилей обработки (шаблонов), которые пользователь может применять в зависимости от методики сбора данных (воздушными, наземными или надводными транспортными средствами и др.) (рис. 2).

Рис. 2 Выбор стандартного профиля обработки (шаблона).

В программе есть мастер настроек проекта, позволяющий новым пользователям быстро настроить и обработать ГНСС + ИНС данные, используя наиболее подходящий шаблон. Для более опытных пользователей доступно множество вариантов настроек режимов обработки, как ГНСС данных, так и ИНС данных.

Программа может по загруженному файлу сырых измерений автоматически определить тип выполненной съемки (воздушная, наземная, пешая или морская), а также позволяет автоматически использовать соответствующие настройки обработки ГНСС + ИНС данных. Это упрощает процесс обработки и позволяет сократить время обучения, которое необходимо для уверенного пользования программой IE и получения качественных результатов обработки.

Особенности программы Inertial Explorer:

— возможность обработки данных двухчастотных ГНСС приемников — GPS, ГЛОНАСС, BeiDou, Galileo и QZSS;

— возможность обработки L1/L2 (включая E5b, B2I) или L1/L5 (включая E5a, B3I) для различных приложений;

— возможность загрузки в проект данных от 32 базовых станций;

— автоматическая корректировка ориентации с учетом эффекта отклонений вертикали;

— использование геопотенциальной модели Земли на основе EGM2008;

— наличие модуля уточнения визирования (Solve Boresight Angles) для расчета углов разворота между осями инерциального измерительного модуля и осями подвижной платформы, на которой он установлен;

— режимы слабо и жестко связанной обработки ГНСС + ИНС данных;

— гибкая настройка параметров экспорта в формате ASCII;

— прямой экспорт в форматы Google Earth, RIEGL POF/POQ, DXF и SBET;

— создание отчетов QC в формате HTML;

— модуль вычисления смещений между центром инерциального модуля и ГНСС антенной (как основной, так и курсовой), при использовании двухантенного ГНСС приемника;

— возможность ограничения скорости для оптимальной обработки, как медленного пешеходного трека, так и более быстрой траектории, полученной с использованием наземного транспорта, особенно в сложных условиях приема ГНСС сигнала.

Преимущества программы Inertial Explorer:

— простая интеграция с продукцией NovAtel SPAN (ГНСС + ИНС);

— оптимизированная настройка мастера проектов для быстрого запуска обработки;

— одновременная обработка данных ГНСС и инерциальных измерительных модулей для достижения наилучшего эффекта;

— встроенные шаблоны обработки для воздушных, наземных, пеших, беспилотных и морских проектов;

— поддержка обработки траекторий от нескольких базовых станций;

— обработка методом точного позиционирования (PPP).

Рассмотрим совместную обработку ГНСС и ИНС данных в программе Inertial Explorer на примере очередных полевых испытаний оборудования, проведенных инженерами компании «ГНСС плюс».

На легковом автомобиле были установлены две ГНСС + ИНС системы производства компании NovAtel — SPAN CPT7 и PwrPak7D-E1. Устройства были жестко закреплены на конструкции внутри автомобиля и через сплиттер подключены к двум (одним и тем же) ГНСС антеннам (рис. 3).

Рис. 3 Монтаж тестируемых ГНСС + ИНС систем.

Положение центров ГНСС + ИНС систем относительно центров ГНСС-антенн определялись с помощью электронного тахеометра. Полученные «офсеты» (смещения) вносились с использованием управляющей программы NovAtel Connect в настройки работы каждой системы.

Оба устройства работали в режиме RTK от постоянно действующей базовой станции компании «ГНСС плюс». При этом осуществлялась запись «сырых» ГНСС данных на базовой станции и запись «сырых» ГНСС + ИНС данных с систем, установленных на автомобиле (SPAN CPT7 и PwrPak7D-E1).

В рамках программы испытаний был осуществлен проезд по Северо-Западному тоннелю в Москве (рис. 4).

Рис. 4 Общая траектория движения при проведении испытаний.

В режиме RTK, после осуществления проезда по всей длине тоннеля, накопилась плановая ошибка позиционирования порядка 26 м для SPAN CPT7 и плановая ошибка порядка 38 м для PwrPak7D-E1 (рис. 5).

Рис. 5 Накопленная ошибка тестируемых ГНСС + ИНС систем в режиме RTK при проезде по тоннелю.

После загрузки и обработки ГНСС + ИНС данных в программе Inertial Explorer плановая точность точек вычисленной траектории, проходящей по тоннелю, для каждого устройства составила несколько дециметров.

В процессе обработки применялась операция «обработка в прямом и обратном по времени направлении», а также использовался инструмент «сглаживания» (рис. 6, 7).

Рис. 6 Траектория ГНСС + ИНС системы PwrPak7D-E1 в режиме реального времени.

Рис. 7 Траектория ГНСС + ИНС системы PwrPak7D-E1 после обработки в программе Inertial Explorer.

ООО «ГНСС плюс» является официальным дилером компании NovAtel на территории РФ. Узнать больше о возможностях программы Inertial Explorer можно, связавшись с техническими специалистами нашей организации.

Авторы статьи:

Воронов Александр Николаевич — директор по развитию «ГНСС плюс».

Козырев Андрей Иванович — ведущий инженер «ГНСС плюс».

Статья в формате pdf опубликована во втором выпуске журнала "Геопрофи" 2021 и доступна для скачивания на официальном сайте журнала.