Я решительно поддерживаю сочетание инерциальных датчиков и GPS для пользователей, которым нужны надежные позиционирование, навигация, хронометраж. Недорогие инерциальные компоненты (так называемые MEMS) могут повысить помехоустойчивость GPS-приемника на 15 дБ и более. Всего один этот шаг может уменьшить эффективную зону поражения помех в прямой видимости более чем на 95%.
Брэдфорд Паркинсон
(один из создателей GPS)
В последнее время в Москве стали активно появляться приборы спуффинга и глушения ГНСС‑сигнала, что вылилось в серьезные трудности для транспортных компаний, курьерских служб и обычных пользователей навигационных устройств. Отсутствие спутниковых сигналов создает волнение в городской инфраструктуре и повседневной жизни граждан. Темпы развития средств РЭБ (радиоэлектронной борьбы) в текущих условиях сильно опережают возможности спутниковых приемников по их обнаружению и коррекции решения, поэтому надежда на использование даже специализированного приемника в таких условиях крайне мала.
Транспортные компании, полагающиеся на ГНСС для маршрутизации и отслеживания своих транспортных средств, сталкиваются с серьезными проблемами в плане эффективности и своевременности доставки. Курьерские службы испытывают затруднения в оптимизации маршрутов и в управлении ресурсами после потери доступа к локации своих сотрудников.
Обычные пользователи навигаторов также ощущают негативные последствия глушения ГНСС‑сигнала. Это затрудняет нормальное передвижение по городу, особенно для тех, кто не знаком с окружающей местностью. Водители, пешеходы и пассажиры сталкиваются с неопределенностью в плане маршрутов и местоположения, что вносит элемент неудобства и создает потенциальные риски для безопасности.
Инерциальная навигация и одометрия как способ знать свое местоположение на время пропадания спутниковых данных
Рисунок 1.
Беспилотная ГАЗель, оснащенная инерциальной навигационной системой
Проблемы, связанные с глушением ГНСС‑сигнала, подчеркивают важность разработки и внедрения альтернативных методов навигации, которые могут обеспечивать стабильность и надежность в условиях непостоянных сигналов от спутников. Особенно в таких случаях полезной может быть инерциальная навигация.
Инерциальная навигация — это метод, который не зависит от внешних сигналов и использует датчики на борту транспортного средства для отслеживания его движения. В условиях, когда ГНСС недоступен или его сигнал подвергается воздействию, инерциальная навигация в сочетании с внутренними корректорами автомобиля (камерами, лидарами, одометром и.т.д.) становится надежным вариантом для определения местоположения.
Транспортные компании и курьерские службы могут дооснащать свои машины и использовать инерциальные системы для мониторинга и управления своим транспортом, даже когда ГНСС‑сигналы недоступны, например в тоннелях, крытых паркингах или при кратковременном въезде в центр Москвы.
Принцип работы системы из инерциальных датчиков, одометрии и ГНСС
Гироскопы и акселерометры высокого класса точности традиционно используются для определения положения, скорости и ориентации объекта, однако ни один прибор не производит идеальных измерений. В случае микромеханических датчиков тактического класса точности, как, например, в ГКВ-1 ОЕМ погрешность выдаваемых данных всё равно слишком велика, чтобы долго рассчитывать корректную навигацию и ориентацию объекта без коррекции.
Интегрирование показаний с погрешностями ведёт к быстрому нарастанию ошибки навигации пропорционально квадрату времени, поэтому ошибки необходимо корректировать и списывать. Систематические ошибки сводятся к минимуму на этапе калибровки, но основную погрешность в работу системы начинают вносить случайные ошибки, поэтому длительная навигация исключительно с помощью таких датчиков без внешних коррекций невозможна. После трех минут функционирования инерциальной навигационной системы в автономном режиме можно будет сделать выводы только относительно предполагаемой области, где находится объект, но не относительно точного определения его местоположения. Зона вероятного положения объекта может растянуться на сто и более метров.
Рисунок 2.
Принцип работы автомобильного одометра основан на подсчете сделанных колесами оборотов
Одометрия представляет собой метод измерения пройденного расстояния в течение определенного временного интервала с использованием различных технических средств или алгоритмов. При определении местоположения автотранспорта широко применяется колесный одометр, который измеряет скорость вращения колес, что в свою очередь позволяет оценить продольную скорость движения автомобиля.
Интеграция инерциальных навигационных систем с данными об одометрии значительно уменьшает ошибки позиционирования в автономном режиме. Эта интеграция эффективна в первую очередь потому, что позволяет скорректировать ошибки скорости, возникающие при первичном объединении измерений акселерометра. Информация об одометрии доступна как для автомобилей, так и для самолетов, кораблей или других видов транспорта, различие заключается лишь в методах получения первичной информации о скорости.
С учётом всех погрешностей инерциальных датчиков, конечная ошибка позиционирования на интервале времени 10−20 минут при интеграции ИНС и одометра составляет 0.5−1% от пройденной дистанции для датчиков тактического класса точности, что на порядок меньше решения исключительно ИНС. Одним из ключевых источников погрешности в измерениях одометра является отклонение фактического значения масштабного коэффициента от его номинального значения. Это отклонение обусловлено изменениями эффективного диаметра колес, вызванными износом шин, различиями в давлении, изменениями температуры и скорости вращения. Обычно отклонение масштабного коэффициента автомобильного одометра составляет ±3% и требует оценки. Эта оценка становится возможной при интеграции инерциальной навигационной системы и одометра со спутниковым приемником. Также необходимо решать проблему «проскальзывания».
Таким образом комплексируя данные ИНС и одометрии, наложив на динамику движения объекта ограничения для автомобиля или грузовика (из-за геометрии колесной базы, центральная точка задней оси движется продольно собственной системе координат, а её поперечная и вертикальная скорости стремятся к нулю) можно получать надежное позиционирование и ориентацию достаточную для детекции движения объекта в полосе движения на время маневрирования в подземном паркинге или тоннеле при условии начальной выставки в режиме RTK. По данным современных исследований, для датчиков тактического класса точности, погрешность определения координат при движении со скоростью 80 км/ч составляет 1−2 м за 20 минут.
Проверка работы алгоритма навигации ГКВ-1 ОЕМ в условиях глушения ГНСС сигналов
Летом 2023 года был проведен эксперимент с применением инерциальной навигационной системы ГКВ-1 ОЕМ с алгоритмом навигации с системой одометрии в условиях глушения спутниковых сигналов. Для этого в автомобиле был жестко закреплен модуль ГКВ через разъем OBD-2 была подключена CAN-шина передающая скорость колес автомобиля, на багажнике и капоте были расположены спутниковые антенны.
Когда ГКВ закреплен в произвольной точке на транспортном средстве и это транспортное средство выполняет сложное маневрирование, ГКВ регистрирует ускорения, не связанные с поступательным движением. Так, при повороте автомобиля при размещении акселерометра не в центре задней оси, а в произвольной точке, акселерометр регистрирует дополнительное центростремительное ускорение. Для правильного расчета навигации от них нужно избавиться пересчетом измерений акселерометров с учетом его расположения. Также вводится условие, что поперечное и вертикальное ускорение задней оси стремятся к нулю.
Рисунок 3. Коррекция поступательной скорости транспортного средства на поворотах, где R — радиус поворота транспортного средства, ΔR — приращение к радиусу, вызывающее дополнительное центростремительное ускорение
Таким образом поступательная скорость может быть оценена на основе мгновенных значений угловой скорости и скорректированных показаний акселерометра. Аналогично стоит перенести данные ГНСС приемника, который выдает координаты и скорости антенны.
Перед началом проезда на тестовых данных были подобраны основные параметры алгоритма:
- Смещение антенны приемника СНС относительно инерциального модуля [1.47; 0.14; −0.7]
- Угол между осью Х ГКВ и вектором между двумя антеннами 3.18159 рад
- Плечо до центра задней оси авто: [ −0.95; −0.3; 0.065] м
- Углы поворота ГКВ-автомобиль: [0; 0.02147; −0.0731] крен/тангаж/курс, радианы
- Масштабный коэффициент одометра car_vcx_k = 1.0127241
Рисунок 4. Расположение навигационного оборудования на автомобиле. Стрелками показаны направления осей ГКВ, синие круги — места расположения спутниковых антенн.
Проезд совершался начиная с севера Москвы через центр, затем на северо-запад. По ходу движения спутниковые координаты ухудшались постепенно. Сначала пропало сантиметровое решение (RTK), затем постепенно стало ухудшаться обычное (single) навигационное решение, периодически пропадая, пока полностью не пропало перед Садовым кольцом.
Рисунок 5.
Точки изменения состояния решения спутникового приемника на траектории
Затем в решении спутникового приемника были выбросы из-за глушения и спуфинга, которые резко меняли выдаваемые данные, координаты улетали за пределы Москвы и даже области.
Рисунок 6.
Глушение ГНСС. В зоне глушения координаты улетают далеко за пределы города
Алгоритм успешно отработал все уходы ГНСС сигнала, детектируя спуфинг и опираясь в это время на показания инерциальных датчиков и одометрии.
Рисунок 7.
Траектория полученная от алгоритма — синим. Данные ГНСС красным. Начало справа сверху, окончание — слева сверху
Так как проезд без присутствия адекватного решения ГНСС‑приемника занял порядка 40 минут, в навигации накопилась достаточно большая ошибка. Траектория повторяет картографическое изображение улиц, но проходит на расстоянии от истинной дороги. При этом алгоритм сам оценивал свою ошибку, характер которой определяется более точным подсчетом пройденного пути, по сравнению с точностью вычисления курса автомобиля, поэтому на карте ее аппроксимация представлена эллипсами, чьи меньшие диагонали расположены по курсу движения автомобиля.
Рисунок 8.
Траектория движения, построенная алгоритмом. Эллипсы оценки ошибок построены через каждую минуту
Оценка ошибки работы алгоритма по выработке координат, которая накопилась со временем представлена на рисунке 9.
Рисунок 9. Оценка ошибки выработки координат 1σ
Из рисунка 9 видно, что самостоятельно оценивать свою ошибку на интервале более 10-20 минут очень трудно, так как нужна очень сложная математическая модель всей системы. Поэтому для данного случая можно сравнить известные координаты ориентиров через которые проезжал автомобиль (синие звездочки на рисунке 10) и координат вырабатываемых ГКВ в этой точке (оранжевые точки на рисунке 10).
Рисунок 10.
Сравнение координат ориентиров с координатами от ГКВ
Построив график реальной ошибки и ошибки вычисленной алгоритмом (рисунок 11), можно убедиться, что даже при правильной настройке алгоритма, характер собственного вычисления ошибки на таком большом участке времени сильно расходится с реальной ошибкой.
Рисунок 11. Сравнение самостоятельной и реальной ошибки алгоритма
Однако для навигации колесного транспортного средства более показательной будет оценка ошибки расхождения координат в плане по отношению к пройденному пути. На рисунке 12 построены графики зависимости реальной ошибки в процентах от пройденного пути. На верхнем графике по оси абсцисс отложен пройденный путь, на нижнем время в пути в минутах.
Рисунок 12. Ошибка по отношению к пройденному пути
Максимальная ошибка составила 0,62% от пройденного пути и была достигнута после 58 минут с момента начала глушения ГНСС-сигнала и 15 километров пройденного пути. Таким образом данный эксперимент подтверждает расчетные данные, о том, что за время 10-20 минут данные координат уйдут не более чем на 1% от пройденного расстояния. Но стоит учесть, что такие результаты достижимы только после надежного закрепления инерциального прибора в салоне автомобиля и правильного подбора параметров алгоритма.
Выводы
В заключение статьи можно отметить, что хотя полученная ошибка координат в плане от комплекса ИНС и одометрии составляет менее 1% от пройденного пути, что является весьма впечатляющим показателем для микромеханических устройств, она все равно недостаточна для обеспечения полной автономной навигации в городских условиях. Однако для дополнительного уточнения параметров навигации ряд исследователей используют данные о карте дорог в простом случае или по графам и контурам близлежащих зданий, когда нужно знать позицию автомобиля в полосе движения.
Использование навигации по графу дорог открывает новые перспективы для автономных транспортных средств, позволяя им более точно ориентироваться в городской среде. При правильной интеграции карты являются эффективным инструментом, позволяющим корректировать оценку позиции автономных систем, ограничивать рост ошибок позиционирования и позволяют осуществлять навигацию без доступа к ГНСС.
Таким образом, применение навигации по графу дорог в купе с установкой на транспорт инерциальной навигационной системы представляет собой перспективный подход к решению проблемы точной навигации и мониторинга транспорта в городской среде и может стать ключевым шагом в создании более надежных и безопасных систем для автономного движения в городских условиях.
