GNSS/INS (INS asistido por GNSS) para drones y vehículos no tripulados

GNSS/INS es un enfoque de fusión que combina INS con actualizaciones basadas en GNSS, lo que garantiza un crecimiento constante y limitado del error. GNSS proporciona un posicionamiento absoluto periódico, corrigiendo la deriva y mejorando significativamente la fiabilidad operativa, lo cual es fundamental para misiones de larga duración o entornos en los que el INS autónomo puede sufrir errores acumulativos.

¿Qué es GNSS/INS y cómo funciona?

GNSS/INS, NAUTILUS, de Honeywell Aerospace.

GNSS/INS es un método de navegación híbrido que combina el posicionamiento por satélite (de GPS, Galileo, GLONASS, BeiDou) con datos inerciales para producir estimaciones precisas y continuas de posicionamiento y orientación. Los algoritmos de fusión de datos, que a menudo emplean filtros Kalman o variantes extendidas, sintetizan las posiciones GNSS con mediciones IMU para estimar el estado del vehículo y la covarianza de error.

Los componentes principales del GNSS/INS son:

• IMU (unidad de medición inercial), ya crucial en el INS convencional, ahora funciona junto con el GNSS.
• El receptor GNSS proporciona la posición y la velocidad absolutas.
• Correcciones RTK
• El filtro de Kalman de fusión de sensores combina los datos para generar soluciones de navegación robustas.

Esta arquitectura permite la navegación por estima, lo que permite al INS estimar la posición durante los intervalos entre las actualizaciones del GNSS. Como resultado, el sistema integrado puede mantener un posicionamiento fiable incluso en entornos con señales GNSS intermitentes u obstruidas, como durante misiones prolongadas con drones, en cañones urbanos o en entornos interiores.

Fusión de sensores: puente entre GNSS/INS en tiempo real

En el corazón del GNSS/INS se encuentra la fusión de sensores, que combina IMU y GNSS para aprovechar sus ventajas únicas. El filtro de Kalman estima dinámicamente la solución de navegación y los errores del sensor, mientras que técnicas como la navegación por estima garantizan la continuidad entre las fijaciones del GNSS. Esta navegación híbrida mantiene una alta precisión de navegación inercial en condiciones de vuelo dinámicas y bloqueos del GNSS a corto plazo.

Ventajas sobre el INS convencional

En comparación con un sistema de navegación inercial autónomo, la integración GNSS/INS ofrece claras ventajas:

• Reducción de la deriva y los límites de error
• Localización fiable del vehículo en entornos con degradación de la señal
• Mayor robustez y autonomía del sistema
• Mejor integridad y detección de fallos, mediante la ayuda del GNSS
• Rendimiento optimizado para una navegación de alta precisión

En conjunto, estas ventajas elevan a los drones y vehículos no tripulados equipados con GNSS/INS por encima de las limitaciones de la navegación por estima.

Aplicaciones que se benefician del GNSS/INS frente al INS convencional

Topografía aérea y cartografía

En fotogrametría, LiDAR y cartografía de alta resolución, la precisión a nivel centimétrico es vital. Los drones equipados con GNSS/INS proporcionan una navegación de alta precisión, lo que garantiza que los sensores estén correctamente alineados para la georreferenciación. Los INS tradicionales se desviarían durante los vuelos largos; el GNSS/INS mantiene la precisión incluso en áreas de estudio muy extensas.

GNSS/INS, ANELLO GNSS INS, de ANELLO Photonics.

Inspección de infraestructuras (puentes, tuberías, líneas eléctricas)

La inspección de infraestructuras a menudo implica proximidad, vuelos lentos cerca de estructuras y es propensa al sombreado GNSS. El GNSS/INS permite drones de inspección a mantener una posición y orientación precisas, incluso en zonas con degradación del GNSS, lo que garantiza la integridad de los datos y reduce las tasas de re vuelo.

Supervisión agrícola y forestal

Los drones que operan sobre campos o terrenos boscosos necesitan una navegación fiable para cubrir rutas predefinidas. El GNSS/INS permite una precisión constante a nivel RTK, lo que facilita el análisis automatizado del estado de los cultivos y los estudios forestales en múltiples misiones de vuelo.

Entrega y logística

A medida que los sistemas de entrega con drones maduran, la navegación precisa entre los centros de distribución y las zonas de entrega se vuelve esencial. El GNSS/INS mantiene la fidelidad de la ruta y mitiga la deriva a través de zonas sin cobertura GNSS, como los corredores urbanos, lo que permite un rendimiento repetible y fiable.

Búsqueda y rescate y seguridad pública

En zonas de desastre o terrenos difíciles, los drones de primera respuesta equipados con GNSS/INS mantienen la navegación incluso en medio de interrupciones de la señal GNSS. En combinación con otros sensores, la navegación integrada ayuda a los servicios de emergencia y al personal de búsqueda y rescate a obtener una visión fiable de la situación.

Sistemas autónomos terrestres y marítimos no tripulados

El GNSS/INS no se limita al uso aéreo, sino que también es compatible con vehículos terrestres autónomos (UGV) y embarcaciones de superficie. Estas plataformas utilizan el GNSS/INS para el seguimiento de rutas, evitar obstáculos y conocimiento de la situación, que ha demostrado ser más fiable que los sistemas que solo utilizan INS.

Retos y consideraciones

Aunque el GNSS/INS ofrece potentes capacidades, para que su implementación sea satisfactoria es necesario prestar atención a lo siguiente:

• Calibración de los sensores inerciales y compensación de temperatura
• Gestión de los efectos multitrayecto, la latencia de la señal y los bloqueos intermitentes
• Ajuste de filtros Kalman de fusión de sensores para diversos perfiles dinámicos
• Compromisos de hardware: equilibrio entre el grado de IMU, la precisión de GNSS y SWaP
• La supervisión de la integridad y la detección de fallos son fundamentales para las misiones críticas para la seguridad

Estas consideraciones influyen en el diseño de sistemas GNSS/INS robustos en vehículos no tripulados.

Descripción general del GNSS/INS para vehículos no tripulados

En resumen, la integración de GNSS/INS revoluciona la navegación de los sistemas no tripulados, superando al INS convencional en precisión, fiabilidad y autonomía. Ya sea para cartografía de precisión, inspección de infraestructuras, logística o seguridad pública, el GNSS/INS permite que los drones, los vehículos terrestres y los robots marinos funcionen de forma estable incluso en medio de interrupciones del GNSS. A medida que avanza la fusión de sensores y se miniaturiza el hardware, el GNSS/INS se sitúa en el centro de la navegación de última generación para las empresas autónomas.