Навігація в умовах відсутності GNSS: розробка стійкої автономності

Нова реальність автономної навігації

Автономні системи більше не знаходяться на периферії інфраструктури — вони вбудовані в неї.

Висока щільність забудови міст, перевантаження радіочастотного (РЧ) спектру, перешкоди від крони дерев, переходи між внутрішніми та зовнішніми просторами, а також конкуренція за спектр — це вже не поодинокі випадки. Це повсякденні умови експлуатації.

Фізичні засади інерційної навігації не змінилися. Змінився лише рівень невизначеності, який ми можемо собі дозволити.

Погіршення роботи Глобальної навігаційної супутникової системи (GNSS) тепер є проектною умовою, а не аномалією. Коли супутникове позиціонування виходить з ладу, автономність не зупиняється — вона адаптується, переходячи від зовнішнього опорного сигналу до внутрішнього поширення сигналу. У цей момент інерційна архітектура визначає все.

Цю зміну дедалі більше стимулюють сфери оборони та безпеки. Автономні дрони, що діють у конфліктних середовищах, повинні функціонувати навіть тоді, коли супутникові сигнали погіршуються, блокуються або навмисно перешкоджаються. Як наслідок, оборонні програми прискорюють інвестиції в стійкі навігаційні архітектури, здатні підтримувати позиціонування, навігацію та синхронізацію часу без постійної доступності GNSS.

Сигнал GNSS слабшає. Керування переходить до інерційної навігації

Відсутність сигналу GNSS — це стрес-тест архітектури

Більшість сучасних автономних систем базуються на тісно пов’язаних навігаційних архітектурах GNSS/INS, де оновлення даних із супутників, інерційне поширення та фільтри оцінювання функціонують як єдина система, а не як незалежні компоненти.

Коли сигнал GNSS доступний, інерційний дрейф постійно коригується. Однак у разі переривання сигналу GNSS інерційна підсистема повинна тимчасово забезпечувати навігацію самостійно.

Дрейф не є несправністю інерційної навігації. Це неминучий наслідок інтегрування вимірювань датчиків у часі.

Тому справжнє інженерне завдання полягає не в усуненні дрейфу, а в контролі його зростання та забезпеченні передбачуваної поведінки під час перебоїв у роботі GNSS.

Стійкість навігації залежить від стабільності зміщення, теплової стабільності, поведінки шуму, цілісності синхронізації та надійності злиття даних, і всі ці параметри стають помітними, коли зникають зовнішні поправки.

IMU: від датчика до конструктивного елемента

У архітектурах автономних систем IMU часто розглядають як окремий компонент. Насправді ж вона є основою загальної продуктивності системи.

Усі інерційні системи на базі мікроелектромеханічних систем (MEMS) містять як детерміновані, так і стохастичні (випадкові) джерела похибок. Постійна похибка, коливання коефіцієнта масштабу, розбіжність осей та чутливість до температури співіснують із випадковим блуканням і довгостроковою нестабільністю. Під час нормальної корекції GNSS ці похибки залишаються обмеженими. Під час перебоїв у роботі GNSS вони виявляються.

Результуючий каскад похибок розвивається поступово:

• Зсув гіроскопа впливає на орієнтацію
• Відхилення орієнтації змінює проекцію сили тяжіння
• Проекція сили тяжіння впливає на оцінку швидкості
• Похибка швидкості накопичується, перетворюючись на відхилення положення
• Цей процес є поступовим, але неминучим

Архітектури MEMS тактичного класу підвищують передбачуваність не за рахунок зміни фізичних властивостей датчиків, а завдяки поглибленню їх реалізації.

Ці вдосконалення зазвичай включають:

• Глибоке багатоосьове термічне калібрування
• Моделювання компенсації з високою роздільною здатністю
• Синхронізовані масиви з декількох IMU
• Зважування з урахуванням даних калібрування
• Вирівнювання часових міток на апаратному рівні

Результатом є підвищена стабільність у межах реалістичних обмежень щодо розміру, ваги та енергоспоживання (SWaP).

Наслідки відсутності GNSS протягом N секунд

Перебої в роботі GNSS необхідно розглядати в часовому контексті.Короткі перебої тривалістю лише кілька секунд рідко призводять до дестабілізації добре спроектованих інерційних систем. Орієнтація залишається стабільною, а контури керування продовжують працювати в нормальному режимі.

Коли перебої тривають десятки секунд, на поведінку системи починає впливати стабільність зміщення. Накопичується дрейф швидкості, і відхилення від положення стає помітним.

Після тридцяти секунд на зростання похибки переважно впливають характеристики довгострокового зміщення.

У слабших інерційних архітектурах ця фаза може спричинити:

• Розриви курсу
• Коливання під час повторного захоплення сигналу GNSS
• Тимчасову нестабільність керування

У вдосконалених інерційних архітектурах корекції залишаються плавними та передбачуваними. Сам по собі час перебоїв не визначає результат. Визначальним є темп наростання дрейфу.

Вплив перебоїв у роботі GNSS на характеристики інерційної навігації, що ілюструє перехід від стабільної роботи до поведінки, що з часом характеризується домінуванням дрейфу

Синхронізація: Прецизійність, що виходить за межі точності

Автономні системи функціонують завдяки безперервному об’єднанню даних з декількох датчиків. Типові архітектури автономних систем поєднують:

• Приймачі GNSS
• Інерційні датчики
• Камери
• LiDAR (Light Detection and Ranging)
• Одометрію коліс
• Алгоритми SLAM (Simultaneous Localisation and Mapping)

Тому часова узгодженість має вирішальне значення.

Точність часових міток на рівні мікросекунд гарантує, що всі датчики фіксують одну й ту саму фізичну подію.

Навіть зсув у мілісекундах може спричинити помітне просторове спотворення.

Ця вимога стає особливо важливою в сучасних архітектурах візуальної навігації, де кадри з камери повинні залишатися точно синхронізованими з інерційними оцінками руху.

Архітектури навігації на основі візуальних даних

З метою підвищення надійності навігації багато сучасних дронів поєднують GNSS та інерційні датчики з візуальною навігацією.

Ці архітектури можуть включати:

• Візуально-інерційні навігаційні системи (VINS)
• Навігацію на основі візуальних даних (VBN)
• Локалізацію на основі візуальних даних із використанням заздалегідь завантажених карт

У цих архітектурах камери забезпечують спостереження за навколишнім середовищем, тоді як інерційний вимірювальний блок (IMU) надає оцінки руху.

Навігаційна система безперервно об’єднує ці потоки даних, щоб оцінити положення дрона відносно навколишнього середовища. Візуальна навігація є особливо цінною в умовах, де зовнішні сигнали позиціонування є ненадійними, наприклад у закритих приміщеннях, густонаселених міських районах або природних середовищах з обмеженою видимістю неба. Однак ефективність візуальної навігації значною мірою залежить від точного поширення руху та чіткої синхронізації між різними методами зондування. Тому IMU відіграє вирішальну роль у стабілізації рішень візуальної навігації.

Контрольований перехід: архітектура в умовах навантаження

Справжнє випробування навігаційної системи відбувається під час переходів між умовами, коли сигнали GNSS доступні, та умовами, коли вони відсутні. Коли якість сигналів GNSS погіршується, навігаційний фільтр все більше покладається на інерційне поширення, і невизначеність в оцінці положення зростає. Коли сигнали GNSS відновлюються, поправки необхідно вносити поступово, щоб уникнути різких розривів у стані.

Недосконало спроектовані системи часто демонструють коливання або раптові стрибки в навігаційних оцінках під час цієї фази. Надійні архітектури забезпечують стабільну поведінку та плавно збігаються до скоригованої оцінки положення. Здатність плавно керувати цим переходом є визначальною характеристикою зрілої навігаційної системи.

Надійні архітектури PNT

У сферах оборони та безпеки надійність навігації часто описують у термінах «позиція, навігація та синхронізація» (PNT).

Сучасні архітектури PNT поєднують декілька джерел інформації, зокрема:

• Вимірювання GNSS
• Інерційні датчики
• Візуальну навігацію
• Зовнішні допоміжні датчики

Завдяки системам об’єднання даних з датчиків, таким як EKF, ці вхідні дані сприяють формуванню навігаційного рішення, здатного забезпечувати безперервність роботи навіть у разі погіршення якості сигналів GNSS.

Інтегрований сценарій: БПЛА для картографування міських територій

Розглянемо безпілотний літальний апарат (БПЛА) для картографування, що працює в умовах щільної міської інфраструктури.

Під час зльоту сигнал GNSS надходить у нормальному режимі. У міру наближення апарата до мосту посилюється багатопроменеве розсіювання.

Під мостом сигнал GNSS стає недоступним приблизно на сорок п’ять секунд, тоді як картографування за допомогою LiDAR триває.

У системі, побудованій на основі стабільної тактичної архітектури MEMS, орієнтація залишається стабільною, дрейф швидкості накопичується повільно, а вирівнювання картографування залишається узгодженим.

Коли GNSS відновлює роботу, поправки вводяться поступово. Безперервність навігації зберігається.

Огляд альтернативних технологій навігації

Коли GNSS стає ненадійним, автономні системи все частіше використовують допоміжні методи навігації.

До поширених альтернативних методів навігації належать:

• Візуальна навігація (VINS/VBN)
• SLAM на основі LiDAR
• Навігація з орієнтацією на рельєф
• Навігація за випадковими сигналами
• Інерціальне навігаційне розрахункове визначення координат

Кожен метод має свої переваги, але й обмеження. Візуальна навігація залежить від текстури навколишнього середовища. SLAM на основі LiDAR вимагає ресурсів для обробки даних. Навігація за випадковими сигналами залежить від радіочастотної інфраструктури.

Інерційна навігація залишається єдиним методом навігації, який є повністю автономним і незалежним від навколишнього середовища.

Технічна ілюстрація: Архітектура 3DM-CV7

Типовим прикладом вдосконалення тактичних MEMS-систем є архітектура інерційного вимірювального блоку (IMU) 3DM-CV7.

Система об’єднує чотири незалежні MEMS-IMU в синхронізований масив. Кожен датчик проходить ретельну багатоосьову термічну калібровку в усьому діапазоні робочих температур. Зважування, що базується на результатах калібрування, оптимізує внесок кожного IMU. Протилежна механічна орієнтація підвищує стійкість до вібрацій.

Завдяки затримці від руху до передачі сигналу близько 1,9 мс та системі синхронізації на основі подій, здатній узгоджувати інерційні вимірювання з даними зовнішніх датчиків, таких як камери, ця архітектура забезпечує високонадійну візуально-інерційну навігацію.

Історія компанії MicroStrain by HBK у галузі інерційної техніки сягає кінця 1980-х років, а протягом десятиліть основна увага приділялася компактним інерційним датчикам та архітектурам з оптимальними параметрами SWaP для автономних систем.

3DM-CV7-GNSS/INS — інерційна навігаційна система з підтримкою GNSS

Стійкість до впливу навколишнього середовища

Сама по собі лабораторна точність не гарантує експлуатаційних характеристик. Автономні платформи працюють в умовах, що характеризуються коливаннями температури, тривалими вібраціями, механічними ударами та постійним впливом реальних умов експлуатації.

Для забезпечення надійної навігації інерційні системи необхідно перевіряти не лише в контрольованих умовах. Це включає термоциклювання, оцінку стабільності зміщення в довготривалому режимі, повторюваність при циклічному вмиканні-вимиканні живлення та випробування на чутливість до перехресних осей.

Важливою є стабільність показників між окремими пристроями.

Індивідуальне налаштування як інженерна адаптація

Високоефективна інтеграція інерційних систем рідко обмежується стандартною конфігурацією.

Інженерна адаптація може включати:

• Налаштування EKF відповідно до динаміки місії
• Оптимізацію роботи в умовах відсутності сигналу GNSS
• Розширену теплову характеристику
• Адаптацію механічного корпусу
• Синхронізацію за імпульсами в секунду (PPS)

Сучасні програми автономності все частіше використовують модульну відкриту системну архітектуру (MOSA). Тому навігаційні компоненти повинні безперешкодно інтегруватися з існуючими платформами автономності, такими як PX4, ArduPilot та ROS. Сумісність із цими екосистемами значно прискорює інтеграцію та зменшує витрати на розробку.

Вибір інерційної архітектури: концепція для виробників оригінального обладнання (OEM)

Вибір інерційної системи для автономної роботи в умовах погіршеної роботи GNSS вимагає структурованої оцінки.

Основні фактори, що слід враховувати:

• Стабільність зміщення протягом реалістичних періодів відсутності сигналу
• Методологія термічного калібрування
• Проект архітектури (один IMU проти синхронізованого масиву)
• Точність і затримка часових міток
• Стійкість до впливу навколишнього середовища
• Зрілість екосистеми інтеграції
• Сумісність за параметрами SWaP

Вибір інерційної системи — це не просто вибір окремого компонента. Це рішення щодо архітектури автономної роботи.

Проектування багатошарових навігаційних архітектур

Сучасні автономні системи рідко покладаються лише на один метод навігації.

Натомість відмовостійкі навігаційні архітектури поєднують кілька взаємодоповнюючих шарів:

Первинний навігаційний шар

Визначення координат за допомогою GNSS за наявності сигналів.

Вторинний навігаційний шар

Інерційне просування з підтриманням позиції, швидкості та орієнтації.

Додаткові навігаційні шари

Візуальна навігація, LiDAR SLAM, зіставлення з рельєфом місцевості або інші допоміжні джерела.

Платформи об’єднання даних з датчиків безперервно інтегрують ці вхідні дані для забезпечення узгодженого навігаційного рішення. Така багатошарова архітектура дозволяє автономним системам залишатися працездатними навіть у разі погіршення якості окремих джерел навігації.

Чому продуктивність ІMU має значення як ніколи раніше

Щільність автономних систем зростає. Складність радіочастотних систем підвищується. На надійність GNSS покладатися не можна.

Водночас у оборонних програмах дедалі більшого пріоритету набувають автономні системи, що можуть бути втрачені в бою, — платформи, достатньо потужні для виконання складних завдань, але при цьому достатньо доступні за ціною, щоб їх можна було розгортати у великих масштабах.

Цей зсув акцентує увагу на ефективності за параметрами SWaP-C:

• Розмір
• Вага
• Продуктивність
• Ціна

Отже, навігаційні рішення повинні забезпечувати високу продуктивність в умовах надзвичайно обмеженого системного бюджету.

Висновок

Відсутність доступу до GNSS не означає неможливість навігації. Це означає залежність від характеристик інерційної системи.

Високоефективні тактичні архітектури MEMS, розроблені з урахуванням глибини калібрування, точності синхронізації та архітектурної дисципліни, забезпечують надійну та масштабовану основу для стійких безпілотних літальних апаратів (БПЛА), безпілотних наземних транспортних засобів (БНТЗ) та автономних роботів. Коли зовнішні опорні точки стають непевними, результат визначається внутрішньою стабільністю.

А в сучасних оперативних умовах невизначеність вже не є винятком. Це очікувано.