Навигация

[Главная страница][Выше]Авиационная Гравиметрия ] [ Навигация ]

Инерциальная навигация
Инерциальная геодезическая система (Inertial Survey System).
ИНС/GPS

Разработка новых ИНС
Инерциальный Геодезический комплекс для ГИС

Испытания навигационного геодезического комплекса.
Интегрирование малогабаритной ИНС низкой точности и GPS/ГЛОНАСС


Инерциальная навигация относится к такому способу определения местоположения в пространстве, при котором не используются данные каких-либо внешних источников. Все чувствительные элементы находятся непосредственно на борту транспортного средства. Инерциальные измерители линейных ускорений - акселерометры установлены на так называемой гиростабилизированной платформе. Эта платформа, используя свойства гироскопа - сохранять неизменной ориентацию своей оси в пространстве, обеспечивает строго горизонтальное положение осей чувствительности акселерометров (с точностью до единиц угловых секунд). Измеренные ускорения дважды интегрируются, и, таким образом, получается информация о приращении местоположения подвижного объекта. Объединенные общей задачей определения координат подвижного объекта, гироскопы и акселерометры образуют инерциальную навигационную систему (ИНС). Помимо этой задачи ИНС поставляет информацию об угловой ориентации объекта: углах крена, тангажа и рыскания (курса) и о скорости объекта.
Конструкция современной ИНС вобрала в себя последние достижения точной механики, теории автоматического управления, электроники и вычислительной техники.
Конструктивно ИНС можно разделить на два класса: платформенные и бескарданные. В первых гиростабилизированная платформа реализована физически в виде рамы трехстепенного карданного подвеса. В таких системах используются традиционные гироскопы с вращающимся ротором. Точность таких систем может достигать 1 морской мили (900 м) за час работы. Эти системы входят в состав бортового навигационного оборудования тяжелых самолетов.
Другой класс - бесплатформенные ИНС (БИНС) отличаются тем, что плоскость горизонта в них реализована математически, используя данные гироскопов и акселерометров. В этих системах могут быть использованы лазерные и волоконно-оптические гироскопы. Здесь нет вращающихся частей, а об угловой скорости судят по фазовой задержке лазерного луча пробегающего по замкнутому контуру. Точность этих систем 1 морская миля за час. Они существенно конструктивно проще и дешевле платформенных. По последним данным лучшие образцы БИНС способны показывать точность, сравнимую с точностью платформенных систем.
[наверх]

Инерциальная геодезическая система (Inertial Survey System).
Исторически сложилось, что основным, если не единственным, потребителем инерциальной навигационной техники была авиация. Специфические условия эксплуатации (большие скорости и дальности полетов) допускали такую ошибку в определении навигационных параметров, которая едва ли приемлема для наземной навигации и еще менее для геодезии. Так, ошибка ИНС по координате на уровне 1 мили в час считается вполне приличным показателем для широкого класса авиационных систем. Геодезия же требует совершенно другого Image47.gif (35818 bytes)уровня точности. Развитие современных методов математической обработки данных позволило существенно снизить ошибки ИНС. С 1991 года учеными ЛИГС применяется скалярный алгоритм компенсации ошибки ИНС, который в сочетании со специальными методами полевой выставки и калибровки позволил достичь сантиметровой точности определения координат в реальном времени при работе ИНС в автономном режиме.
Незначительная доработка стандартной авиационной ИНС и использование нетрадиционных (альтернативных Калмановской фильтрации) подходов к обработке навигационных данных позволило создать навигационную геодезическую систему, годную к применению для наземной навигации и геодезии. При необходимости вместо вертикального акселерометра ИНС может быть установлен прецизионный гравиметр. Такая система способна проводить измерения гравитационных аномалий как в геодезических целях (уточнение формы геоида), так и в геофизических (аэрогравитационная разведка). Кроме того разработана методика определения уклонения отвесной линии, что открывает путь к трехмерной гравиметрии. Летные испытания такой системы также проводились в 1994-1997 годах.
Однако наибольшего эффекта удается достичь при совместном применении инерциальной геодезической системы и спутниковой навигационной системы. [наверх]

Интеграция ИНС/GPS
Развитие и распространение спутниковой системы навигации GPS/ГЛОНАСС существенно сократило область применения традиционных для авиации навигационных систем с инерциальными датчиками информации. Лёгкие, простые в обращении и недорогие приемники GPS, казалось, полностью вытеснят дорогие и сложные инерциальные навигационные системы. Однако в последние два года наметилась отчётливая тенденция совместного использования ИНС/GPS для решения целого ряда задач навигации, геодезии и геофизики. Указанная тенденция нашла отражение в материалах международных симпозиумов, проводившихся под патронажем Всемирной Ассоциации Геодезии (IAG).
Необходимость интеграции двух столь непохожих систем навигации обусловлена принципиально различным характером ошибок, присущих каждой из них. В то время как ошибки GPS обусловлены наличием помех в канале передачи радиоинформации, изменением геометрии созвездия спутников, преднамеренным зашумлением сигнала (режим выборочного доступа для системы GPS), погрешности ИНС имеют характер долгопериодической волны и не подвержены влиянию внешних факторов. Кроме того, в условиях ограниченной видимости спутников приемник GPS прекращает выдачу навигационной информации, что в ряде задач совершенно недопустимо. Следовательно, справедливо ожидать, что две системы при совместном их применении будут дополнять и корректировать одна другую, повышая надёжность и точность работы навигационного комплекса.
Совместное применение ИНС и GPS позволяет решать ряд задач прикладной навигации, в которых требуется непрерывная выдача информации. Причём под перерывом здесь следует понимать как вызванные пропаданием спутников, так и интервал между двумя измерениями GPS. Известно, что периодичность выдачи информации приёмником GPS составляет 1 секунду (некоторые наиболее продвинутые дорогие модели позволяют получить частоту выдачи данных до 6 раз в секунду). Таким образом при скорости движения 36 км/час неопределённость местоположения может составить 10 м. В то же время для ИНС передача навигационных данных с частотой 50 Гц и выше является нормой. Отсюда следует первое преимущество интеграции -непрерывность выдачи информации.
В такой постановке критической величиной является максимально допустимое время пропадания данных спутников. Разработанное ЛИГС и испытанное в реальных условиях эксплуатации программное обеспечение позволяет увеличить время пропадания сигнала до 80 секунд. При этом общая ошибка определения местоположения комплексом не выйдет за пределы 2…3 метров.
Другой проблемой использования GPS в реальном времени являются скачкообразные изменения показаний, вызванные изменением состава созвездия спутников. В зависимости от количества и положения спутников эти скачки могут достигать десятков метров. Использование ИНС позволяет эффективно фильтровать эти скачки и сглаживать навигационные данные.
Наконец непрерывная поддержка счисления координат позволяет в несколько раз сократить время выставки GPS приемника после потери связи со спутником, а так же эффективно обнаруживать такие моменты.
Таким образом, алгоритм работы навигационного комплекса в составе ИНС/GPS выглядит так: при нормальной работе GPS приёмника, он является основным поставщиком навигационной информации. При этом производится постоянное уточнение модели ошибок ИНС, показания которой непрерывно сравниваются с данными GPS. При пропадании сигнала спутников, управляющая программа переходит в режим прогноза, и данные ИНС корректируются в соответствии с полученной моделью ошибок. Как только приёмник восстанавливает связь со спутниками, программа переходит в режим сглаживания данных GPS и коррекции модели ошибок ИНС. Для решения изложенной задачи разработано оригинальное алгоритмическое и программное обеспечение.
В настоящее время в ЛИГС разработан и испытан в полевых условиях прототип-макет навигационного комплекса в составе бесплатформенной инерциальной навигационной системы, спутникового приёмника GPS/ГЛОНАСС и стандартного переносного персонального компьютера. Управляющая программа осуществляет сбор информации от ИНС и GPS, обсчёт полученных данных в соответствии с разработанным алгоритмом и вывод на экран компьютера.
Для получения достоверной информации о высоте в комплексе был задействован барометрический высотомер, комплексированный с вертикальным каналом ИНС. В результате испытаний комплекса на сложной трассе ошибка определения координат в реальном времени составила 3 метра (СКО). Оценка точности осуществлялась с помощью восстановления траектории движения по данным GPS (двойное дифференцирование).
Следует отметить, что использование комбинированного приемника GPS/ГЛОНАСС (Ashtech GG24 , разработки фирмы MAGELLAN-Ashtech) позволило достичь такую точность. [наверх]

Разработка новых ИНС
Применение ИНС совместно со спутниковой системой в качестве вспомогательного поставщика навигационной информации позволяет существенно снизить требования к точности инерциальных датчиков - гироскопов и акселерометров, и использовать более дешевые приборы. Ориентация на массового потребителя заставляет искать пути к снижению стоимости комплекса прежде всего за счет цены самого дорогого компонента - ИНС. Указанным требованиям отвечает бесплатформенная ИНС (БИНС) с лазерными гироскопами. Тем не менее отечественная промышленность, ориентированная по больше части на авиацию, не предлагает в данное время приемлемой системы по разумной цене. Вместе с тем имеются в наличии вполне подходящие датчики, на которых подобная система могла бы быть построена. Поэтому ЛИГС в содружестве с московским предприятием "Электрооптика" участвует в разработке специализированной БИНС, у которой будет оптимальное соотношение качества к цене для гражданского потребителя. Помимо стоимости отличительными особенностями новой разработки являются неприхотливость к электропитанию и низкое энергопотребление, компактность и низкий вес. На этапе разработки предусматривается возможность интеграции с GPS и стандартное подключение к компьютеру. Несмотря на снижение себестоимости, такая система вряд ли дойдет до массового потребителя, однако перспективы развития автомобилестроения в XXI веке предусматривают включение бортового навигационного комплекса в состав оборудования автомобиля высокого класса, транспортных средств оперативных служб. И здесь невозможно обойтись исключительно радионавигационной системой, так как инерциальные датчики позволяют эффективно и точно измерять такие параметры, как угловое положение транспортного средства (курс, крен, тангаж), угловые скорости, продольные и поперечные ускорения. Измерение этих параметров совершенно необходимо для обеспечения безопасности движения и для автоматизации управления транспортным средством.
В качестве примера применения инерциальной геодезической системы приведем автомобильный профилометр для измерения качества дорожного покрытия автострад, навигационно-измерительный комплекс для исследования параметров полотна железной дороги, измерение прогибов мостов, эстакад и путепроводов, определение траекторий тоннелей. [наверх]

Инерциальный Геодезический комплекс для ГИС.
Многие из перечисленных выше приложений полностью отвечают целям создания Географических Информационных Систем.
При проведении видео съемки местности инерциальная система определяет ориентацию стереопары. При работе в местностях с высокой застройкой использование ИНС позволяет получать непрерывное счисление координат, несмотря на сбои в работе приемника GPS из-за потери контакта со спутниками. Кроме этого, как уже отмечалось, ряд геофизических параметров, представляющих интерес для ГИС (гравитационные аномалии, уклонения отвесной линии), принципиально может быть измерен только инерциальными средствами. [наверх]

Испытания навигационного геодезического комплекса.

wpe8.jpg (8987 bytes)
В июне 1999 года прошли испытания навигационного геодезического комплекса. Передвижная лаборатория размещалась в микроавтобусе Газель. 
В качестве приёмников GPS использовались Ashtech GG24. На борту автомобиля размещаллась инерциальная навигационная система И42 и источники питания: бензоэлекторгенератор, аккумуляторные батареи, преобразователи напряжения.

wpeD.jpg (6297 bytes)


Запись навигационной информации осуществляется в стандартный компьютер. По прохождении маршрута проводится обработка результатов измерений.

wpe6.jpg (10994 bytes)
wpe9.jpg (12056 bytes)
wpeA.jpg (6479 bytes)

Траектория движения навигационного геодезического комплекса (белая линия), наложенная на аэрофотоснимок.

Траверс испытательного маршрута (слева)   пролегал по набережным реки Яузы в районе плотной городской застройки. На пути следования автомобиль несколько раз проезжал под мостами и путепроводами. На рисунке на снимок аэрофотосъемки наложена траектория маршрута движения автомобиля. Траектория воспроизведена по данным навигационного комплекса в результате послемаршрутной обработки с применением техники DGPS.
Вследствие затененности местности постоянно происходит изменение состава созвездия спутников. Это обстоятельство существенно ограничивает возможности использования GPS как в реальном времени, так и в послемаршрутной обработке.

wpeC.jpg (12628 bytes)
Для восстановления траектории движения транспортного средства используются данные инерциальной навигационной системы. По результатам испытаний точность определения координат составила менее 1 метра
[наверх]