Введение в ГНСС. Глава 6 - Сочетание различных датчиков.

Глава 6 - Сочетание различных датчиков

В главе 5 мы описали методы, используемые для повышения точности ГНСС за счет уменьшения влияния источников ошибок. В этой главе мы представляем системы, в которых приемники ГНСС работают с другими датчиками для определения местоположения и навигации в сложных условиях приема сигналов.

Популярный термин в этой области – «сочетание датчиков» (sensor fusion). В последнее время это понятие включает в себя не только ГНСС, и даже не ГНСС + Инерциальные Навигационные Системы (ИНС), это понятие объединяет любую доступную информацию для формирования наиболее надежного и точного решения, доступного при любых условиях. Все технологии сбора данных, ГНСС, ИНС, камеры, одометры, цифровые модели рельефа, дальномеры, датчики определения расстояний (лидары и радары), и т.п. принимаются во внимание.

Системы ГНСС + ИНС

Как уже говорилось, ГНСС использует сигналы с орбитальных спутников для вычисления положения, времени и скорости. ГНСС-навигация имеет хорошую точность при условии, что отслеживает как минимум четыре спутника.

Когда прямая видимость спутников блокируется такими препятствиями, как деревья или здания, навигация становится ненадежной или невозможной.

Инерциальная навигационная система (ИНС) использует информацию о вращении и ускорении от инерциального измерительного блока (IMU) для вычисления относительного положения во времени. Блок состоит из шести высокоточных датчиков, расположенных на трех ортогональных осях. На каждой из трех осей размещены акселерометр и гироскоп. Акселерометры измеряют линейное ускорение, а гироскопы измеряют ускорение вращения.

С помощью этих датчиков IMU может точно измерять свое относительное перемещение в трехмерном пространстве. ИНС использует эти измерения для расчета положения и скорости. Дополнительным преимуществом измерений IMU является то, что он выдает угловое решение относительно трех осей. ИНС преобразует это угловое решение в решение для местного положения (крен, тангаж и азимут), которое она может выдавать в дополнение к положению и скорости.

Способность ИНС выдавать параметры ориентации является важным дополнением для таких приложений, как аэросъемка и гидрография. Например, при аэрофотосъемке важно не только знать, где была камера, когда был сделан снимок, но и под каким углом она находилась по отношению к земле.

Рис. 47

IMU передает параметры ускорения и вращения системе ИНС в виде дискретных измерений с определенной частотой. Обычно системы ИНС работают на частотах 50 - 1000 Гц, хотя большинство IMU способны делать выборку своих данных с гораздо большей скоростью.

Конечно, у всех систем, включая IMU и, следовательно, ИНС, есть свои недостатки. Во-первых, ИНС предоставляет только относительное решение от начальной точки. Эта начальная точка должна быть предоставлена ИНС. Во-вторых, что более важно, высокочастотные измерения, обеспечиваемые IMU, включают несколько источников ошибок.

В зависимости от качества (а также стоимости и размера) IMU эти ошибки могут быть довольно большими по сравнению с фактическими регистрируемыми измерениями. Навигация в трехмерном пространстве с помощью IMU фактически представляет собой суммирование (или интеграцию) сотен (или тысяч) отсчетов в секунду, в течение которых также накапливаются ошибки. Это означает, что неисправленная система ИНС будет смещаться относительно истинного положения сразу же при отсутствии внешних данных.

Предоставление внешних данных на ИНС позволяет системе оценивать ошибки в измерениях IMU с помощью математического фильтра и уменьшать их влияние.

Рис. 48

Эти внешние данные могут быть весьма эффективно предоставлены системами ГНСС. Они предоставляют абсолютный набор координат, который можно использовать в качестве начальной опорной точки. Кроме того, ГНСС предоставляет непрерывные координаты и значения скорости, которые затем могут использоваться для обновления оценочных параметров фильтра ИНС.

Когда прием сигналов ГНСС нарушается из-за препятствий, система инерциальной навигации может продолжать эффективно ориентироваться в течение более длительных периодов времени.

Использование значений положения и скорости с помощью ГНСС для оценки ошибок ИНС называется «слабосвязанной» системой. Однако комбинированные системы ГНСС + ИНС могут стать гораздо более сложными. Разнообразие терминов, таких как «тесно связанный» или «глубоко связанный», явно указывает на гораздо более симбиотические отношения между ними.

В этих системах необработанные ГНСС-измерения используются непосредственно для помощи ИНС. Она может даже использоваться как ограничение, чтобы помочь приемнику ГНСС быстрее повторно обнаруживать потерянные сигналы или отклонять «плохие» сигналы. На рис. 49 показана упрощенная схема тесно связанной системы.

Рис. 49

Таким образом, когда системы ГНСС и ИНС комбинируются, эти два метода дополняют друг друга, обеспечивая мощное навигационное решение, как показано на рис. 50. Когда условия для работы ГНСС хорошие (прямая видимость нескольких спутников), приемник обеспечивает точное местоположение и время для всей навигационной системы.

Когда условия приема ухудшаются, ИНС обеспечивает положение и навигацию до тех пор, пока условия не улучшатся.

Рис. 50

Одометры

ГНСС - не единственный полезный источник информации для помощи в инерциальной навигации. Для различных условий также могут быть добавлены самые разные датчики, чтобы помочь решению. Обычный внешний датчик для наземных транспортных средств - это дополнительный одометр. Это обеспечивает еще одно независимое измерение смещения и скорости, которое может помочь навигационному решению ГНСС + ИНС. Это в основном используется, когда сигнал ГНСС отсутствует, например, при проезде через тоннель.

Навигация с использованием машинного зрения

Еще одним потенциальным источником помощи является использование фотограмметрии или навигации с помощью систем машинного зрения. В навигационной системе со вспомогательным машинным зрением изображения используются для предоставления навигационной системе информации о ее местоположении. Изображения с камеры обрабатываются навигационной системой для распознавания и отслеживания объектов в окружающей среде.

Это можно выполнить двумя способами. Полученные с помощью ранее выполненной съемки реперные объекты могут использоваться для определения абсолютного положения в знакомой среде или обычные объекты могут использоваться в качестве контрольных точек. Когда объект распознается системой, относительное изменение последовательных изображений может использоваться для генерации изменения относительного положения камеры в трехмерном пространстве.

Это означает, что система машинного зрения может быть объединена с системой ГНСС + ИНС для предоставления информации о местоположении и ориентации в ИНС, когда обновления данных от ГНСС недоступны. Примером навигационной системы с визуальным контролем является беспилотный автомобиль, используемый для перевозки груза со двора на склад. Когда беспилотный автомобиль находится снаружи, ГНСС + ИНС обеспечивает навигацию для транспортного средства. Находясь внутри склада, система машинного зрения использует известные точки в здании для предоставления обновленной информации о местоположении в ИНС.

Заключение

Если вы хотите узнать больше о теме этой главы, свяжитесь с техническими специалистами нашей организации.

Материалы взяты с сайта компании NovAtel. Ссылка на первоисточник: https://novatel.com/an-introduction-to-gnss