GNSS/INS (INS wspomagany przez GNSS) dla dronów i pojazdów bezzałogowych

GNSS/INS to podejście oparte na fuzji, które łączy INS z aktualizacjami opartymi na GNSS, zapewniając spójny i ograniczony wzrost błędu. GNSS zapewnia okresowe pozycjonowanie bezwzględne, korygując dryft i znacznie zwiększając niezawodność działania, co ma kluczowe znaczenie w przypadku długotrwałych misji lub środowisk, w których samodzielny system INS może cierpieć z powodu skumulowanych błędów.

Czym jest GNSS/INS i jak działa?

GNSS/INS, NAUTILUS, firmy Honeywell Aerospace.

GNSS/INS to hybrydowa metoda nawigacji łącząca pozycjonowanie satelitarne (z GPS, Galileo, GLONASS, BeiDou) z danymi inercyjnymi w celu uzyskania dokładnych, ciągłych szacunków pozycji i orientacji. Algorytmy fuzji danych, często wykorzystujące filtry Kalmana lub ich rozszerzone warianty, syntetyzują dane GNSS z pomiarami IMU w celu oszacowania stanu pojazdu i kowariancji błędów.

Główne komponenty GNSS/INS to:

• IMU (Inertial Measurement Unit), już kluczowy w konwencjonalnym INS, teraz współpracuje z GNSS.
• Odbiornik GNSS dostarcza informacje o bezwzględnej pozycji i prędkości.
• Korekty RTK
• Filtr Kalmana łączący dane z czujników generuje niezawodne rozwiązania nawigacyjne.

Architektura ta umożliwia nawigację na podstawie obliczeń, pozwalając INS oszacować pozycję w odstępach czasu między aktualizacjami GNSS. W rezultacie zintegrowany system może utrzymać niezawodne pozycjonowanie nawet w środowiskach z przerywanymi lub zakłóconymi sygnałami GNSS, takich jak podczas długich misji dronów, w kanionach miejskich lub w pomieszczeniach zamkniętych.

Fuzja czujników: połączenie GNSS/INS w czasie rzeczywistym

Sercem GNSS/INS jest fuzja czujników, która łączy IMU i GNSS, aby wykorzystać ich wyjątkowe zalety. Filtr Kalmana dynamicznie szacuje rozwiązanie nawigacyjne i błędy czujników, podczas gdy techniki takie jak nawigacja z wykorzystaniem danych z licznika odległości zapewniają ciągłość między pozycjami GNSS. Ta hybrydowa nawigacja utrzymuje wysoką dokładność nawigacji inercyjnej w dynamicznych warunkach lotu i podczas krótkotrwałych blokad GNSS.

Zalety w porównaniu z konwencjonalnym INS

W porównaniu z samodzielnym systemem nawigacji inercyjnej integracja GNSS/INS oferuje wyraźne korzyści:

• Zmniejszone dryfowanie i ograniczenie błędów
• Niezawodna lokalizacja pojazdu w środowiskach o pogorszonej jakości sygnału
• Zwiększona odporność i autonomia systemu
• Lepsza integralność i wykrywanie błędów dzięki wspomaganiu GNSS
• Zoptymalizowana wydajność dla wysokiej precyzji nawigacji

Wszystkie te zalety sprawiają, że drony i pojazdy bezzałogowe wyposażone w GNSS/INS wykraczają poza ograniczenia związane z samym nawigowaniem według przypuszczeń.

Zastosowania, w których GNSS/INS ma przewagę nad konwencjonalnym INS

Pomiar lotniczy i mapowanie

W fotogrametrii, LiDAR i mapowaniu w wysokiej rozdzielczościkluczowa jest dokładność na poziomie centymetra. Drony wyposażone w GNSS/INS zapewniają wysoką precyzję nawigacji, gwarantując prawidłowe ustawienie czujników do georeferencjonowania. Tradycyjne systemy INS ulegają dryfowi podczas długich lotów; GNSS/INS zachowuje dokładność nawet na rozległych obszarach pomiarowych.

GNSS/INS, ANELLO GNSS INS, firmy ANELLO Photonics.

Kontrola infrastruktury (mosty, rurociągi, linie energetyczne)

Kontrola infrastruktury często wymaga zbliżania się do obiektów, powolnego lotu w ich pobliżu i jest podatna na zakłócenia sygnału GNSS. GNSS/INS umożliwia drony inspekcyjne do utrzymania dokładnej pozycji i orientacji, nawet w strefach o ograniczonym zasięgu GNSS, zapewniając integralność danych i zmniejszając liczbę ponownych lotów.

Monitorowanie rolnictwa i leśnictwa

Drony działające nad polami lub terenami leśnymi potrzebują niezawodnej nawigacji, aby pokonywać z góry określone trasy. GNSS/INS zapewnia stałą precyzję na poziomie RTK, wspierając automatyczną analizę stanu upraw i badania leśne w ramach wielu misji lotniczych.

Dostawy i logistyka

Wraz z rozwojem systemów dostawczych wykorzystujących drony niezbędna staje się dokładna nawigacja między centrami dystrybucji a strefami zrzutu. GNSS/INS zapewnia wierność trasy i ogranicza dryf w obszarach bez zasięgu GNSS, takich jak korytarze miejskie, umożliwiając powtarzalną i niezawodną pracę.

Poszukiwania i ratownictwo oraz bezpieczeństwo publiczne

W strefach katastrof lub na trudnym terenie drony ratownicze wyposażone w GNSS/INS utrzymują nawigację nawet w przypadku zakłóceń sygnału GNSS. W połączeniu z innymi czujnikami zintegrowana nawigacja pomaga służbom ratowniczym oraz personelowi poszukiwawczo-ratowniczemu uzyskać wiarygodny obraz sytuacji.

GNSS/INS nie ogranicza się do zastosowań lotniczych; obsługuje również autonomiczne pojazdy naziemne (UGV) i statki powierzchniowe. Platformy te wykorzystują GNSS/INS do śledzenia trasy, omijania przeszkód oraz świadomości sytuacyjnej, co okazało się bardziej niezawodne niż systemy oparte wyłącznie na INS.

Wyzwania i kwestie do rozważenia

Chociaż system GNSS/INS oferuje potężne możliwości, jego pomyślne wdrożenie wymaga zwrócenia uwagi na następujące kwestie:

• Kalibracja czujników inercyjnych i kompensacja temperatury
• Obsługa efektów wielodrożności, opóźnień sygnału i sporadycznych blokad
• Dostosowywanie filtrów Kalmana do fuzji czujników dla różnych profili dynamicznych
• Kompromisy sprzętowe: równoważenie klasy IMU, dokładności GNSS, SWaP
• Monitorowanie integralności i wykrywanie usterek mają kluczowe znaczenie dla misji o krytycznym znaczeniu dla bezpieczeństwa

Te względy mają wpływ na projektowanie solidnych systemów GNSS/INS w pojazdach bezzałogowych.

Przegląd systemów GNSS/INS dla pojazdów bezzałogowych

Podsumowując, integracja systemów GNSS/INS rewolucjonizuje nawigację systemów bezzałogowych, przewyższając konwencjonalne systemy INS pod względem dokładności, niezawodności i autonomii. Niezależnie od tego, czy chodzi o precyzyjne mapowanie, kontrolę infrastruktury, logistykę czy bezpieczeństwo publiczne, GNSS/INS umożliwia dronom, pojazdom lądowym i robotom morskim stabilne działanie nawet w przypadku zakłóceń GNSS. Wraz z postępem w dziedzinie fuzji czujników i miniaturyzacją sprzętu, GNSS/INS stanowi serce nawigacji nowej generacji dla przedsięwzięć autonomicznych.