Системы высокоточного спутниково-инерциального позиционирования UD-X1.

Комплексирование спутниковых и инерциальных технологий для высокоточного позиционирования является главным направлением деятельности компании «ГНСС плюс». Комплексные системы местоопределения разрабатываются индивидуально с учетом задач конечного пользователя, с применением глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС), блоков инерциальных измерений, дополнительных устройств и специализированного программного обеспечения.

Среди множества устройств, поставляемых компанией, есть отдельное направление моноблочных ГНСС+ИНС систем. Такие устройства объединяют в едином корпусе мультисистемную, мультичастотную ГНСС OEM-плату и высокопроизводительный инерциальный измерительный модуль.

Высокоточное ГНСС позиционирование становится ненадежным или невозможным в случаях блокирования спутниковых сигналов различными препятствиями. У инерциальных датчиков накопленные ошибки приводят к «дрейфу» позиционирования, скорость которого зависит от класса инерциального модуля. При совместной работе оба метода навигации дополняют друг друга. Точность абсолютных определений ГНСС координат и скорости используется для компенсации ошибок инерциальных измерений. 

Стабильное относительное положение ИНС применяется в моменты ухудшения или потери приема спутниковых сигналов.

Таким образом, при позиционировании подвижного объекта, в случае кратковременного блокирования спутниковых сигналов, будет сохраняться высокая точность.

Такая ситуация может произойти при:

-проездах под мостами или в тоннелях;

-движении в плотной городской застройке, вдоль / между зданий повышенной этажности;

-движении под кронами деревьев и т. п.

С точки зрения «глубины взаимодействия», а также обмена информацией между ГНСС и ИНС, существуют три общих стратегии их интеграции: слабо связанная (loose coupling), тесно связанная (tight coupling) и жестко связанная (deep coupling). Они отличаются, в том числе, и сложностью реализации.

Слабо связанная стратегия интеграции использует результаты позиционирования в режиме реального времени (RTK) и сырые данные инерциального модуля. Необработанные измерения ГНСС и данные инерциального модуля обрабатываются независимо и затем объединяются в фильтре Калмана. В ситуациях, когда спутниковые сигналы присутствуют, но блокируются, как объектами городской застройки, так и листвой деревьев, точность позиционирования не настолько хороша, как при тесно связанной и жестко связанной стратегиях интеграции ГНСС+ИНС.

Тесно связанная стратегия использует результаты позиционирования в режиме реального времени, необработанные данные ГНСС и необработанные данные инерциального модуля. Эффективное использование спутниковых измерений при блокировке сигналов ГНСС улучшает точность позиционирования. Тесно связанная стратегия требует от производителей модулей ГНСС+ИНС совместных исследований, а также разработки математики позиционирования RTK и алгоритмов ГНСС+ИНС. Однако, алгоритм тесной связанности не позволит достичь наилучших результатов, если необработанные данные ГНСС будут плохого качества. На самом деле, в сложных условиях, таких как, например, городская застройка или лесной массив, модуль ГНСС подвержен частым потерям сигнала и ошибкам в наблюдениях, что может легко привести к некорректным результатам позиционирования. Такие проблемы эффективно решает навигационный алгоритм жесткой связанности.

Построенное на основе алгоритма тесной связанности жестко связанное решение использует необработанные данные от инерциального измерительного модуля при захвате и отслеживании сигналов ГНСС, и помогает контуру слежения за несущей с помощью точной информации об относительных доплеровских изменениях инерциального модуля для повышения точности доплеровской оценки в сложных условиях. В результате повышается точность и непрерывность измерений фазы несущей и псевдодальностей в сложных условиях, а также уменьшаются прерывания и ошибки в измерениях ГНСС, что эффективно улучшает точность и достоверность позиционирования ГНСС и ИНС.

Результаты сравнительных испытаний, проведенных производителями, показывают, что жестко связанная стратегия может повысить точность позиционирования в 3–7 раз по сравнению со слабо связанным решением, и в 2–5 раз по сравнению с тесно связанным решением.

Следует понимать, что координаты подвижного объекта могут определятся как в режиме реального времени, так и в постпроцессинге с помощью специализированного программного обеспечения. Данные, полученные в результате постобработки, всегда превосходят по точности координаты, определенные в режиме RTK.

В 2022 г. компания «ГНСС плюс» начала поставлять на российский рынок спутниковоинерциальную систему UD-X1, разработанную китайскими партнерами компании. Система UD-X1 (рис. 1) позволяет определять координаты в режиме реального времени по спутниковым измерениям с частотой до 5 Гц, а также накапливать сырые данные ГНСС+ИНС на внешнее устройство для последующей обработки по комплексированным ГНС+ИНС измерениям с частотой до 125 Гц. Инженеры компании регулярно проводят испытания UD-X1 в различных условиях и по различным сценариям.

 

Весьма наглядным и информативным стало сравнительное тестирование двух примерно сопоставимых по заявленной точности и производительности ГНСС+ИНС систем: UD-X1 и PwrPak7D-E1 (NovAtel, Канада). Оба этих устройства являются двухантенными, имеют на борту мультисистемные и мультичастотные ГНСС ОЕМ-платы и инерциальные измерительные модули Epson.

Для испытаний был выбран тоннель, находящийся в поселке Коммунарка Новомосковского административного округа города Москвы (рис. 2). Примечательно, что длина тоннеля составляет около 1 км, и при скорости движения 60 км/ч автомобиль преодолевает эту дистанцию примерно за 1 минуту (рис. 3).

Равномерное (без рывков) движение транспортного средства позволяет с максимальной эффективностью (точностью) получать данные инерциальных измерительных модулей. Для описания производительности инерциальных измерительных модулей, как правило, используются значения 0, 10, 30 и 60 секунд (при невозможности коррекции по ГНСС более минуты точность инерциальных данных ухудшается экспоненциально).

Таким образом, выбранное для испытаний место идеально подходило для проведения тестирования ГНСС+ИНС систем и анализа полученных результатов. Характеристики точности определения координат, скорости и ориентации при различной длительности потери ГНСС сигналов методом счисления координат (Dead Reckoning) спутниково-инерциальной системы UD-X1, заявленные производителем, представлены в табл. 1.

В мультисистемной и мультичастотной спутниково-инерциальной системе UD-X1 реализовано именно жестко связанное ГНСС+ИНС решение, о котором было рассказано выше. Благодаря этому устройство UD-X1 обеспечивает высокоточное позиционирование и определение параметров ориентации подвижного объекта в режимах RTK и постобработки. Одновременное использование двух ГНСС антенн дает возможность применять систему UD-X1 для курсоопределения и ориентации, что, в свою очередь, позволяет решать широкий спектр прикладных задач.

Стоит отметить высокую степень совместимости базовых команд управления UD-X1 с базовыми командами управления решений NovAtel. Также имеет место схожесть форматов данных и протоколов передачи поправок. Все это позволяет рассматривать систему UD-X1 в качестве достойной и, главное, доступной альтернативы решениям NovAtel. Заказчики, которые ранее использовали или продолжают использовать устройства производителя из Канады, при необходимости, смогут осуществить безболезненный переход на новое оборудование.

Переоснастить эксплуатируемые или разрабатываемые комплексы, в состав которых включены системы высокоточного спутникового позиционирования и инерциальные измерительные модули, всегда помогут инженеры компании «ГНСС плюс», имеющие высокий уровень квалификации в этой области.