Soluções comuns para navegação integrada GNSS/INS sob perda de sinal de satélite

Pontos-chave

• Produto: Soluções de navegação integrada GNSS/INS

  Principais recursos:

  • Componentes: O sistema integrado inclui receptor GNSS, Unidade de Medição Inercial (IMU) e sensores opcionais como LiDAR ou hodômetros.
  • Função: Mantém a precisão e a estabilidade durante a perda de sinal GNSS usando sensores adicionais ou restrições de estado de movimento como ZUPT.
  • Aplicações: Ideal para navegação urbana, mineração, exploração de petróleo e outros ambientes com possíveis obstruções de sinal.
  • Navegação Inercial: Utiliza giroscópios e acelerômetros para medir posição, velocidade e aceleração.

  Conclusão: O design do sistema integrado está evoluindo, com soluções que melhoram a robustez em ambientes desafiadores, ao mesmo tempo que equilibram custos e complexidade.

Num sistema de navegação integrado GNSS/INS, as medições GNSS desempenham um papel crítico na correção do INS. Portanto, o bom funcionamento do sistema integrado depende da continuidade e estabilidade dos sinais dos satélites. No entanto, quando o sistema opera sob viadutos, copas de árvores ou dentro de edifícios urbanos, os sinais de satélite podem ser facilmente obstruídos ou interferidos, levando potencialmente a uma perda de bloqueio no receptor GNSS. Este artigo discute soluções para manter a precisão e estabilidade dos sistemas de navegação integrados GNSS/INS quando os sinais dos satélites são perdidos.

Quando o sinal do satélite fica indisponível por um longo período, a falta de correções GNSS faz com que os erros INS se acumulem rapidamente, especialmente em sistemas com unidades de medição inercial de menor precisão. Este problema leva a um declínio na precisão, estabilidade e continuidade da operação do sistema integrado. Consequentemente, é essencial resolver este problema para aumentar a robustez do sistema integrado em ambientes tão complexos.

1.Duas soluções principais para lidar com a perda de sinal de GNSS/INS

Atualmente, existem duas soluções principais para enfrentar o cenário de perda de sinal de satélite.

Solução 1: Integrar Sensores Adicionais

Por um lado, sensores adicionais podem ser integrados ao sistema GNSS/INS existente, como odômetros, LiDAR, sensores astronômicos e sensores visuais. Assim, quando a perda de sinal do satélite torna o GNSS indisponível, os sensores recentemente adicionados podem fornecer informações de medição e formar um novo sistema integrado com o INS para suprimir a acumulação de erros do INS. Os problemas com esta abordagem incluem o aumento dos custos do sistema devido aos sensores adicionais e à complexidade potencial do projeto se os novos sensores exigirem modelos de filtragem complexos.

Fig.1 Visão geral do sistema de navegação integrado GNSS IMU ODO LiDAR SLAM.

Solução 2: Tecnologia ZUPT

Por outro lado, um modelo de posicionamento com restrições de estado de movimento pode ser estabelecido com base nas características de movimento do veículo. Este método não requer a adição de novos sensores ao sistema integrado existente, evitando assim custos adicionais. Quando o GNSS não está disponível, as novas informações de medição são fornecidas pelas restrições de estado de movimento para suprimir a divergência INS. Por exemplo, quando o veículo está parado, a tecnologia de atualização de velocidade zero (ZUPT) pode ser aplicada para suprimir o acúmulo de erros INS.

ZUPT é um método de baixo custo e comumente usado para mitigar a divergência do INS. Quando o veículo está parado, a velocidade do veículo deveria teoricamente ser zero. Porém, devido ao acúmulo de erros INS ao longo do tempo, a velocidade de saída não é zero, portanto a velocidade de saída INS pode ser usada como uma medida do erro de velocidade. Assim, com base na restrição de que a velocidade do veículo seja zero, uma equação de medição correspondente pode ser estabelecida, fornecendo informações de medição para o sistema integrado e suprimindo o acúmulo de erros INS.

Fig.2 O fluxograma do algoritmo GNSSIMU baseado em ZUPT fortemente acoplado ao CERAV.

No entanto, a aplicação do ZUPT exige que o veículo esteja parado, tornando-o uma tecnologia estática de atualização de velocidade zero que não pode fornecer informações de medição durante as manobras normais do veículo. Em aplicações práticas, isto exige que o veículo pare frequentemente a partir de um estado de movimento, reduzindo a sua manobrabilidade. Além disso, o ZUPT exige a detecção precisa dos momentos estacionários do veículo. Se a detecção falhar, informações de medição incorretas poderão ser fornecidas, levando potencialmente à falha deste método e até mesmo fazendo com que a precisão do sistema integrado diminua ou divirja.

Conclusão

A perda de sinais de satélite pode causar rápida acumulação de erros no INS, particularmente em ambientes complexos como áreas urbanas. Duas soluções principais são apresentadas: adicionar sensores adicionais, como LiDAR ou sensores visuais, para fornecer medições alternativas, ou usar restrições de estado de movimento como a tecnologia Zero-Velocity Update (ZUPT) para corrigir erros de INS. Cada abordagem tem suas próprias vantagens e desafios, com a integração de sensores aumentando os custos e a complexidade, enquanto o ZUPT exige que o veículo esteja parado e detectado com precisão para ser eficaz.

A Micro-Magic Inc está na vanguarda da tecnologia de navegação inercial e lançou recentemente três produtos MEMS INS auxiliados por GNSS com vários níveis de precisão (nível industrial, nível tático e nível de navegação). Notavelmente, o MEMS GNSS/INS I3500 de nível industrial apresenta uma instabilidade de polarização de 2,5°/h e um passeio aleatório angular de 0,028°/√hr, juntamente com um acelerômetro MEMS de alta precisão com uma grande faixa (±6g, instabilidade de polarização zero <30μg).