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

Pontos-chave

• Produto: Soluções de Navegação Integradas GNSS/INS

  Principais características:

  • Componentes: O sistema integrado inclui receptor GNSS, Unidade de Medição Inercial (IMU) e sensores opcionais como LiDAR ou odômetros.
  • Função: Mantém a precisão e a estabilidade durante a perda do 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 potencial para obstrução de sinais.
  • Navegação inercial: Utiliza giroscópios e acelerômetros para medir posição, velocidade e aceleração.

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

Em um sistema de navegação integrado GNSS/INS, as medições do GNSS desempenham um papel crucial na correção do INS. Portanto, o funcionamento adequado do sistema integrado depende da continuidade e estabilidade dos sinais de satélite. Contudo, quando o sistema opera sob viadutos, copas de árvores ou em áreas urbanas com edifícios, os sinais de satélite podem ser facilmente obstruídos ou sofrer interferências, o que pode levar à perda de sinal no receptor GNSS. Este artigo discute soluções para manter a precisão e a estabilidade de sistemas de navegação integrados GNSS/INS quando os sinais de satélite são perdidos.

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

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

Atualmente, existem duas soluções principais para lidar com 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 do sinal de satélite torna o GNSS indisponível, os sensores recém-adicionados podem fornecer informações de medição e formar um novo sistema integrado com o INS para suprimir o acúmulo de erros do INS. Os problemas com essa abordagem incluem o aumento dos custos do sistema devido aos sensores adicionais e a potencial complexidade de projeto caso os novos sensores exijam modelos de filtragem complexos.

Figura 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 do 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 do INS.

O ZUPT é um método de baixo custo e amplamente utilizado para mitigar a divergência do INS. Quando o veículo está parado, sua velocidade teoricamente deveria ser zero. No entanto, devido ao acúmulo de erros do INS ao longo do tempo, a velocidade de saída não é zero, de modo que a velocidade de saída do INS pode ser usada como uma medida do erro de velocidade. Assim, com base na restrição de que a velocidade do veículo é zero, uma equação de medição correspondente pode ser estabelecida, fornecendo informações de medição para o sistema integrado e suprimindo o acúmulo de erros do INS.

Figura 2. Fluxograma do algoritmo GNSSIMU baseado em ZUPT, acoplado ao CERAV.

No entanto, a aplicação do ZUPT exige que o veículo esteja parado, tornando-se uma tecnologia de atualização de velocidade zero estática que não consegue fornecer informações de medição durante manobras normais do veículo. Em aplicações práticas, isso exige que o veículo pare frequentemente, reduzindo sua capacidade de manobra. Além disso, o ZUPT requer a detecção precisa dos momentos de parada do veículo. Se a detecção falhar, informações de medição incorretas podem ser fornecidas, levando potencialmente à falha deste método e até mesmo causando a redução ou divergência da precisão do sistema integrado.

Conclusão

A perda de sinais de satélite pode causar um rápido acúmulo 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 de Atualização de Velocidade Zero (ZUPT), para corrigir os erros do INS. Cada abordagem tem suas próprias vantagens e desafios, sendo que a integração de sensores aumenta os custos e a complexidade, enquanto a ZUPT exige que o veículo esteja parado e seja detectado com precisão para ser eficaz.

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