Поскольку некогда немыслимые технологии, такие как беспилотные автомобили, становятся реальностью, инерциальные навигационные системы (ИНС) становятся все более необходимыми и незаменимыми. ИНС помогают транспортным средствам и устройствам знать свое местоположение, направление и скорость без необходимости во внешних сигналах, таких как сигналы от GPS. Это делает их невероятно полезными в местах, где GPS не может достичь или ненадежен.
Растущая важность INS особенно очевидна в области автономных транспортных средств. По состоянию на 2021 год около 80 компаний тестировали около 1400 беспилотных автомобилей, грузовиков и других транспортных средств в 36 штатах США. Это значительное развитие в автомобильной промышленности подчеркивает потребность в надежных и надежных навигационных системах, таких как INS, особенно по мере того, как мы приближаемся к будущему, в котором доминирует автономный транспорт.
Эта статья от объяснит все, что вам нужно знать о INS. Мы расскажем, что это такое, как это работает и почему это меняет правила игры для многих отраслей.
Что такое инерциальная навигационная система (ИНС)?
Инерциальная навигационная система — это навигационная технология, которая вычисляет положение, скорость и ориентацию объекта без необходимости внешних ссылок. Она делает это путем измерения ускорений и вращений, применяемых к системе.
Доступная глобальная точность без лишних хлопот.
Получайте точное позиционирование до сантиметра на любом двухдиапазонном устройстве GNSS с молниеносным временем сходимости в нашей сети поправок RTK.
Как только ИНС узнает свое начальное местоположение, она может отслеживать свое текущее местоположение, постоянно обновляя свои координаты на основе этих измерений.
ИНС против GPS
GPS (глобальная система позиционирования) — это спутниковая навигационная система, которая предоставляет информацию о местоположении и времени при любых погодных условиях, в любой точке Земли или около нее. Это неотъемлемая часть GNSS (глобальных навигационных спутниковых систем) , более широкого термина, охватывающего различные спутниковые навигационные системы.
Пример абсолютной навигации , которая относится к определению положения объекта относительно фиксированной точки или системы координат, GPS использует сигналы со спутников для определения местоположения, а это значит, что для эффективной работы этих спутников необходима прямая видимость.
Напротив, INS является самодостаточной — формой относительной навигации. Она не зависит от внешних сигналов, а определяет положение объекта относительно его начального местоположения или положения в предыдущий момент времени. Это делает ее более надежной в местах, где сигналы GPS слабые или заблокированы, например, в туннелях или плотных городских районах.
Однако у систем INS есть свои ограничения. Со временем небольшие ошибки в измерениях ускорения и вращения могут накапливаться, что приводит к дрейфу в вычисленном положении. Чтобы противостоять этому, многие коммерческие системы INS объединяются с приемником GNSS (например, GPS) для калибровки и повышения общей точности.
Эта комбинация позволяет системе использовать сильные стороны обеих технологий – независимость INS и точность GPS. Затем, интеграция системы NTRIP (сетевой транспорт RTCM через интернет-протокол) в эту установку может принести дополнительные преимущества.
Предоставляя высокоточные данные GNSS, поставщики услуг NTRIP помогают уменьшить дрейф INS. Эта интеграция гарантирует, что INS сохраняет точность в течение более длительных периодов и в сложных условиях, где сигналы GNSS могут быть слабыми или затрудненными .
Как работает INS?
Основным компонентом ИНС является инерциальный измерительный блок (ИИБ), который состоит из гироскопов, акселерометров, а иногда и магнитометров или приемников GNSS.
ИДУ
IMU (инерциальный измерительный блок) — это сердце ИНС. Это автономная система, которая собирает необработанные данные датчиков для расчета положения, ориентации и скорости объекта, к которому она прикреплена.
Основная функция IMU — обнаружение изменений в движении и ориентации. Он делает это с помощью комбинации гироскопов, акселерометров и, опционально, магнитометров или датчиков GNSS.
Гироскопы
Гироскопы в ИНС измеряют скорость вращения вокруг оси объекта. Это помогает определить ориентацию или угловую скорость объекта. Современные ИМУ часто используют гироскопы МЭМС (микроэлектромеханические системы) .
Эти устройства могут обнаруживать изменения ориентации, измеряя эффект Кориолиса на вибрирующих элементах внутри гироскопов.
Акселерометры
Акселерометры измеряют силы ускорения, действующие на объект, будь то ускорение, замедление или изменение направления. Интегрируя данные об ускорении с течением времени, ИНС может вычислять скорость и смещения.
Этот процесс, известный как счисление пути , позволяет ИНС отслеживать положение объекта относительно известной начальной точки.
Магнитометры или датчики GNSS
Хотя они не всегда включены, магнитометры могут быть частью IMU, предоставляя дополнительные данные об ориентации объекта относительно магнитного поля Земли. Магнитометры полезны для определения информации о курсе, которая в сочетании с гироскопами и акселерометрами может предоставить более полные данные об ориентации.
Большинство коммерческих систем INS также включают датчики GNSS для повышения точности. GNSS, такие как GPS, предоставляют абсолютную информацию о местоположении, которая может использоваться для исправления или проверки оценок местоположения и скорости, полученных от IMU. Эта комбинация известна как слияние датчиков .
Приемник ГНСС GNSS
Одной из основных проблем с INS является накопление ошибок или дрейф с течением времени, в первую очередь из-за небольших неточностей в измерениях акселерометров и гироскопов. Приемник GNSS, такой как GPS, ГЛОНАСС или Galileo, предоставляет абсолютную информацию о местоположении. При интеграции с INS данные GNSS могут корректировать и калибровать выходные данные INS, уменьшая дрейф и повышая общую точность.
Хотя INS может работать в средах, где сигналы GNSS слабы или заблокированы (под водой, в помещении или в городских каньонах), когда сигнал GNSS доступен, он обеспечивает надежную внешнюю ссылку для обеспечения точности INS. Эта интеграция гарантирует, что навигационная система остается функциональной и точной в сложных условиях, легко переключаясь между моделями с поддержкой GNSS и без нее.
Объединенная система INS/GNSS жизненно важна в приложениях, где точность и надежность имеют решающее значение, таких как автономные транспортные средства, навигация воздушных судов и морская навигация. В этих приложениях даже небольшие ошибки могут иметь значительные последствия, поэтому улучшенная точность и надежность объединенных систем имеют важное значение.
При интеграции приемников GNSS с INS решение об использовании существующих систем или создании собственной , например, системы RTK , может быть сложным. В конечном счете, профессиональный поставщик услуг RTK, может помочь смягчить любые проблемы, которые могут возникнуть при объединении INS и GNSS.
Расчеты INS
Системы инерциальной навигации выполняют сложные вычисления для определения положения, скорости, ориентации и высоты объекта. Эти вычисления имеют основополагающее значение для способности системы предоставлять точную навигационную информацию.
Отношение
INS вычисляет высоту путем интегрирования данных ускорения по вертикальной оси, измеренных акселерометрами. Эта интеграция включает в себя вычисление изменения скорости с течением времени, а затем интегрирование этой скорости для определения изменения высоты.
Гироскопы также обеспечивают ориентацию акселерометров, гарантируя правильную интерпретацию вертикального ускорения, особенно когда транспортное средство или объект не находятся на одном уровне.
Положение, скорость положения и ориентация
INS определяет положение с помощью счисления, которое включает в себя расчет того, насколько объект переместился от известной начальной точки. Это делается путем двойного интегрирования данных ускорения по времени, сначала для определения скорости, а затем для определения смещения или изменения положения.
INS непрерывно вычисляет скорость объекта, интегрируя данные об ускорении. Эта интеграция выполняется в трех измерениях, чтобы обеспечить полный вектор скорости, указывающий, насколько быстро движется объект и в каком направлении.
Гироскопы в ИНС измеряют скорость вращения вокруг осей объекта. ИНС может вычислять изменение ориентации объекта в трехмерном пространстве, интегрируя эти скорости вращения с течением времени.
Корректировка расчетов INS
Датумы и эпохи влияют на точность этих расчетов INS. Датум в контексте INS относится к эталонной модели Земли, используемой для геодезических расчетов, которые включают такие параметры, как широта, долгота и высота.
Чтобы гарантировать, что данные о местоположении от INS являются согласованными и сопоставимыми с данными других систем, таких как GPS, INS должна согласовывать свои расчеты с определенной системой отсчета.
Эпохи — это определенные моменты времени, используемые в качестве опорных точек для временных расчетов. В INS точность измерения и синхронизации времени играет решающую роль, особенно при интеграции или выравнивании данных из внешних источников, таких как GNSS. Точное хронометрирование необходимо для интеграции коррекции данных INS с течением времени.
Однако небольшие ошибки в измерениях датчика INS могут накапливаться со временем, что приводит к дрейфу в вычисленном положении, скорости и высоте. Чтобы смягчить этот дрейф, необходимы периодические коррекции с использованием внешних ссылок, таких как данные GNSS.
Различные методы коррекции ГНСС , такие как RTK, PPP и SSR, могут значительно повысить точность и надежность систем ИНС в различных навигационных контекстах.
Для чего используется INS
INS имеет множество применений благодаря своей способности точно отслеживать положение, ориентацию и скорость без внешних ссылок. Вот некоторые из основных применений INS.
- Автомобильная промышленность: В автомобильном секторе, особенно в беспилотных автомобилях, точность и надежность INS имеют решающее значение. Такие инновации, находятся на переднем крае применения INS в этой области, предлагая точные навигационные решения, имеющие решающее значение для безопасности и эффективности автономных автомобилей.
- Авиация: Самолеты используют INS для управления полетом и навигации, особенно во время длительных полетов над территориями без наземных навигационных средств. В навигации дронов роль RTK в сочетании с системами INS становится все более важной, обеспечивая стабильность и точность управления полетом.
- Морские суда: корабли и подводные лодки используют ИНС для навигации, особенно при движении в районах, где сигналы GPS слабые или отсутствуют.
- Исследование космоса: космические аппараты используют ИНС для навигации в космосе, где GPS невозможен.
- Военное применение: ИНС широко используется в военных целях для точной навигации различных транспортных средств и систем вооружения.
Улучшите свою инерциальную навигационную систему с помощью GNSS
Учитывая сложность и присущие ИНС ограничения, такие как накопление ошибок с течением времени, интеграция ГНСС может значительно повысить общую точность и надежность навигационных систем.
Будущее INS выглядит многообещающим, особенно по мере того, как технология становится более доступной. По мере того, как системы INS становятся более доступными, мы можем ожидать их интеграции в более широкий спектр продуктов, от потребительской электроники до более продвинутых автономных транспортных средств. Это расширение расширит возможности этих продуктов и будет способствовать инновациям в том, как мы перемещаемся и взаимодействуем с окружающим миром.
4 комментария