SPAN – уникальная технология ГНСС+ИНС компании NovAtel.

Стремительный научно-технический прогресс последних десятилетий не мог не затронуть технологию высокоточного позиционирования, которая востребована в большинстве сфер деятельности нашей цивилизации.

Настоящей технологической революцией стало создание спутникового метода определения координат, без которого уже не представить современное человечество. А каких-то 30 лет назад это казалось чем-то из области фантастики.

В качестве наглядного примера можно привести случай, который случился в 1993 году в г. Партизанске Приморского края. На реальном объекте (изыскания для реконструкции участка железной дороги Угольная – Находка) определение координат точек съемочного обоснования проводилось комплектом из двух одночастотных GPS приемников. Результаты настолько поразили заказчика работ, что в итоге, по его инициативе, в местной газете об этом была напечатана статья под заголовком «Чернокнижники».

Вот и сегодня, несмотря на прогрессивное совершенствование методов спутникового позиционирования, увеличение спутниковых группировок, количества транслируемых сигналов, создание корректирующих сервисов, невозможно представить высокоточное ГНСС позиционирование без сигналов хотя бы с четырех навигационных спутников, то есть в месте определения координат обязательно наличие более-менее открытого неба.

Также проблемами, хотя и несущественными, в большинстве отраслей применения спутникового позиционирования, являются небольшая задержка в решении навигационной задачи и более сложная технология получения углов ориентации определяемого объекта. Одним из методов решения этих проблем является комплексирование спутникового позиционирования с инерциальной навигацией, который в последнее время становится все более востребован в различных отраслях.

ГНСС+ИНС – как это работает

Сравним возможности двух способов позиционирования

Очевидно, что достоинства одного метода могут компенсировать недостатки другого.

Традиционный алгоритм ZUPTs+CUPTs (Zero Velocity Updates + Coordinate Updates) получения комплексного решения ГНСС+ИНС заключается в следующем:

• ГНСС решение выдает начальные координаты и ориентацию по сторонам света для «выставки» (инициализации) ИНС.

• ГНСС позиционирование корректирует данные местоположения и скорости ИНС, уменьшая дрейф ошибок инерциальных датчиков.

• ИНС решает задачу позиционирования в периоды, когда ГНСС решение невозможно (малое количество или отсутствие сигналов навигационных спутников, а также плохая геометрия спутников).

• ИНС решает задачу ориентации объекта относительно траектории движения.

• ИНС решение обеспечивает более частую выдачу данных (координат, скорости и элементов ориентации).

Такое комплексирование значительно увеличивает возможности высокоточного позиционирования в сложных условиях, однако остаются некоторые ограничения, связанные с дрейфом инерциальных датчиков. Время точного автономного позиционирования ИНС, когда ГНСС приемник комплекса не может решить задачу позиционирования, зависит от класса инерциального измерительного модуля и составляет от нескольких секунд (самые простые МЭМС) до нескольких минут (ИНС на ВОГах).

Также надо учитывать, что чем выше класс инерциального модуля, тем он больше по размеру и весу, а его стоимость возрастает в геометрической прогрессии. Дрейф частично можно компенсировать, используя одну из составляющих алгоритма комплексирования ZUPT, данные для которой можно получить из дополнительных датчиков скорости, например, таких как одометр, но не для всех приложений это применимо.

На схеме изображен принцип традиционного (слабо связанного) комплексного решения навигационной задачи ГНСС+ИНС.

SPAN – технология комплексирования ГНСС+ИНС позиционирования от компании NovAtel

SPAN (Synchronized Position Attitude Navigation) – уникальная, запатентованная технология, разработанная компанией NovAtel Inc., в которой применен инновационный алгоритм совместной обработки спутниковых и инерциальных измерений, который, без преувеличения, можно считать прорывом в развитии методов высокоточного позиционирования.

Основным принципом SPAN является синхронная обработка всех сырых данных ГНСС и ИНС, даже в случае, когда при наличии спутниковых сигналов невозможно решить навигационную задачу по ГНСС данным (CUPT не работает, т.к. мало спутников, либо большой PDOP).

На схеме изображен принцип SPAN - жестко связанного решения навигационной задачи ГНСС+ИНС.

Использование сырых ГНСС данных в период отсутствия навигационного решения по ГНСС, совокупно с заданным алгоритмом обработки ИНС данных (наземное, воздушное или морское применение), позволяют в значительной степени компенсировать дрейф инерциальных датчиков ИНС.

Позиционирование в сложных условиях с ограниченным небосводом

SPAN технология применима при позиционировании подвижных объектов, как в режиме реального времени (RTK), так и при постобработке в специализированном программном обеспечении Inertial Explorer, когда данные о точном местоположении, скорости, ориентации, качке (морское применение) нужны после проведения работ.

Надежность и точность результатов в программе Inertial Explorer становится значительно выше, т.к. в постобработке доступен алгоритм многократной обработки траектории в прямом и обратном по времени направлениях.

На рисунке отображено сравнение работы в режиме реального времени (RTK) традиционного (слабосвязанного) комплексирования ГНСС+ИНС и технологии SPAN в условиях полного отсутствия ГНСС сигналов (проезд по Северо-Западному тоннелю г. Москвы, около 2.5 км).

В эксперименте участвовали ГНСС приемники (мультисистемные, двухчастотные) и ИНС (МЭМС коммерческого применения) одного класса производительности.

До въезда в тоннель обе системы работали практически синхронно, и даже около 20 секунд в тоннеле уход ИНС был не очень большой, затем произошел срыв инициализации традиционного комплексирования ГНСС+ИНС (траектория красными точками). Выставка (инициализация) не произошла и во время разворота над тоннелем (около 3-х минут) при наличии открытого горизонта.

При использовании технологии SPAN уход с траектории при выезде из тоннеля через 3 минуты составил около 15 метров, при обратном проезде этого же тоннеля за 2 минуты уход составил около 10 метров.

После обработки сырых данных (ГНСС+ИНС) в программе Inertial Explorer разница с данными SPAN RTK на выходе из тоннеля между точками траектории составила более 30 м при проезде за 3 минуты…

…и менее 20 метров при проезде за 2 минуты.

Поэтому в приложениях, где не требуется высокоточное позиционирование онлайн, предпочтительней использовать результаты постобработки данных ГНСС+ИНС в программе Inertial Explorer.

Для использования этой технологии комплексирования ГНСС приемника с ИНС системой, у приемника должна быть модель SPAN, независимо от того, будет ли комплекс работать в реальном времени (RTK) или будут регистрироваться сырые ГНСС+ИНС данные для постобработки.

У компании NovAtel есть решения SPAN (ГНСС+ИНС) в однокорпусных устройствах, но если по каким-то параметрам такое решение не удовлетворяет пользователя, можно подобрать комплект – отдельно ГНСС приемник (OEM плата) и отдельно ИНС, который будет отвечать требованиям приложений, в которых он будет использован.

Для качественного комплексирования предпочтительно использовать двухантенный ГНСС приемник. Это упростит и ускорит инициализацию (выставку) ИНС SPAN системы.

Области применения технологии SPAN

Из всего вышеизложенного можно сделать вывод, что технология SPAN просто незаменима в очень сложных условиях приема ГНСС сигналов, а это:

• В первую очередь, плотная городская застройка, где требуется надежное позиционирование транспортных средств, перемещающихся между зданиями и объектами инфраструктуры.

• Железнодорожные путииследовательские комплексы, когда на ж/д трассе встречаются в большом количестве мосты, виадуки, близко расположенные полосы снегозадержания с высокими деревьями.

• В условиях сильных радиочастотных помех и спуфинга, когда требуется ослабить или свести к нулю воздействие этих факторов на результаты высокоточного позиционирования. Как пример, автопилотирование БПЛА в случае потери ГНСС позиционирования возвращает летательный аппарат в отправную точку, используя SPAN позиционирование.

Помимо позиционирования SPAN технология с высокой точностью определяет мгновенную ориентацию объекта (курс, крен, тангаж) и параметры качки (heave), что очень востребовано при:

• Лидарной съемке на любых подвижных комплексах.

• Высокоточных гидрографических исследованиях.

Это далеко не полный список областей применения SPAN, который постоянно увеличивается, как и постоянно совершенствуется сама технология с применением дополнительных источников информации, позволяющих значительно повысить точность и надежность результатов.

ООО «ГНСС плюс» является официальным дилером компании NovAtel на территории РФ. Узнать больше о технологии SPAN 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 в третьем выпуске журнала "Геопрофи" 2021 и доступна для скачивания на официальном сайте журнала.