Слабосвязанные и тесно связанные ИНС и ГНСС [Руководство 2024]

В области спутниковой навигации и систем позиционирования термины «слабосвязанный» и «тесносвязанный» часто встречаются в обсуждениях интеграции инерциальных навигационных систем (ИНС) и глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС). Эти методологии играют ключевую роль в определении точности и надежности услуг на основе определения местоположения, особенно в сложных условиях, таких как плотные городские ландшафты, где вероятны помехи сигнала.

Однако концепции слабой и сильной связи выходят за рамки интеграции ИНС и ГНСС и находят применение в различных областях, требующих взаимодействия систем, от картографирования сельского хозяйства до строительной геодезии .

В целом, слабая и тесная связь относится к степени взаимозависимости и взаимодействия между различными компонентами или модулями в рамках более крупной системы. Понимание этих концепций необходимо для проектирования надежных, устойчивых систем, которые могут развиваться и процветать в современном динамичном и взаимосвязанном мире.

В этой статье будут рассмотрены тонкости сильной и слабой связи, особое внимание будет уделено приложениям для ИНС и ГНСС.

Что такое слабая связь?

В слабосвязанной системе компоненты имеют минимальную зависимость друг от друга. Они могут работать независимо и общаться через стандартизированные интерфейсы или протоколы. Изменения одного компонента обычно оказывают незначительное влияние на другие, делая систему более гибкой, масштабируемой и поддерживаемой. Слабосвязанные системы часто предпочтительны в сложных, динамических средах, где адаптивность и автономность имеют решающее значение.

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.

Возьмем, к примеру, веб-платформу электронной коммерции. Интерфейс front-end, сервер back-end и база данных могут работать независимо друг от друга. Они взаимодействуют через четко определенные API, что позволяет разработчикам изменять или обновлять каждый компонент, не нарушая работу всей системы. Веб в целом считается слабосвязанной системой, поскольку каждый компонент может (и должен) управляться и контролироваться отдельно.

Что такое тесная связь?

Напротив, тесно связанные системы имеют сильную взаимозависимость между компонентами. Изменения в одном модуле часто требуют соответствующих модификаций в других частях системы. Хотя тесно связанные системы могут обеспечивать преимущества эффективности и производительности в определенных контекстах, их может быть сложнее поддерживать и масштабировать. Более того, им может не хватать гибкости, необходимой для адаптации к меняющимся требованиям или технологиям.

Возьмем, к примеру, тесно связанную программную систему, используемую в области навигации дронов RTK ( Real-Time Kinematic ). В такой системе различные компоненты, отвечающие за управление полетом, позиционирование GPS и слияние датчиков, тесно связаны и взаимодействуют, обеспечивая точную и аккуратную навигацию для дрона.

Любые изменения или усовершенствования одного компонента, например, модуля позиционирования GPS, потребуют соответствующих корректировок в других модулях, например, в алгоритмах управления полетом или объединения датчиков.

Тесная связь обеспечивает множество преимуществ с точки зрения точности и надежности навигации, а в некоторых областях является существенной. Однако из-за технических сложностей, вносимых тесной связью, такие изменения, как обновление системы позиционирования GPS или интеграция новых сенсорных технологий, могут потребовать обширного тестирования и проверки во всей системе, что делает ее сложной задачей для адаптации к меняющимся требованиям или технологическим достижениям.

К счастью, тесная связь для этих систем стала доступной благодаря профессиональным службам, которые предлагают предварительно откалиброванные системы и обеспечивают постоянную поддержку пользователей, позволяя им в полной мере использовать преимущества тесной связи и обойти ограничения.

Инерциальная навигационная система 

Слабое сцепление против сильного сцепления

Различие между слабой и сильной связью заключается в глубине интеграции и характере обмена информацией между системами.

В слабой связи,

• Компоненты имеют минимальную зависимость друг от друга
• Изменения одного компонента обычно мало влияют на другие.
• Системы более гибкие, масштабируемые и удобные в обслуживании
• Часто используются в сложных, динамичных условиях, где адаптивность и автономность имеют решающее значение.

В тесной связи,

• Компоненты имеют сильную взаимозависимость друг от друга
• Найдены преимущества эффективности и производительности
• Может быть сложнее поддерживать и масштабировать
• Может отсутствовать гибкость, необходимая для адаптации к меняющимся требованиям или технологиям.

В оставшейся части этого руководства мы рассмотрим слабую и сильную связь применительно к системам INS и GNSS.

Как работают вместе INS и GNSS?

Глобальные навигационные спутниковые системы (GNSS) работают, измеряя диапазон спутников, которые передают свое положение в небе. Точно вычисляя, где эти диапазоны пересекаются, пользователи могут определять свое положение на Земле с точностью до нескольких метров.

Это был фундаментальный метод для современных спутниковых местоположений с тех пор, как первые системы вышли в сеть в начале 1970-х годов. Этот метод хорошо работает в условиях открытого неба из-за прямой видимости со спутниками. Однако сигналы GNSS могут быть затруднены или ухудшены в определенных условиях, таких как городские каньоны, густая листва или помещения, что приводит к неточностям или потере сигнала.

Между тем, инерциальные навигационные системы (ИНС) используют датчики, такие как акселерометры и гироскопы, для постоянного отслеживания ориентации, скорости и положения движущегося объекта относительно начальной точки отсчета. Хотя ИНС обеспечивает измерения в реальном времени, поскольку это относительная навигационная система, она подвержена внутренним ошибкам, таким как дрейф с течением времени.

Используя выходные данные как абсолютной, так и относительной навигационной системы (GNSS и INS соответственно), интеграция GNSS/INS обеспечивает гораздо более точное и надежное решение по позиционированию, чем любая из систем способна предложить сама по себе. Этот интегрированный подход широко используется в различных приложениях, включая навигацию для самолетов, кораблей, автономных транспортных средств и мобильных устройств, где надежная информация о позиционировании имеет важное значение для безопасной и эффективной работы.

Что такое слияние датчиков?

Sensor Fusion — это сложный алгоритм, который объединяет и интегрирует данные с нескольких датчиков, таких как GNSS и INS, чтобы они могли работать вместе. Sensor Fusion может интегрировать данные со спутников, LiDAR, GPS и камер для создания всеобъемлющего и точного представления окружающей среды или контролируемого объекта. Создавая модели на основе физики, он может предсказывать и исправлять ожидаемые ошибки в измерениях датчиков, тем самым повышая надежность и точность информации о местоположении.

Способность Sensor fusion объединять информацию с различных датчиков и включать дополнительные контекстные данные позволяет пользователям создавать единую структуру, которая повышает точность оценки местоположения. Таким образом, Sensor fusion является критически важным компонентом как в сценариях со слабой, так и с сильной связью с интегрированными навигационными системами, такими как GNSS/INSS.

Что является причиной неточности в системах ГНСС и почему необходима жесткая или слабая связь?

В городах традиционные системы GNSS не справляются из-за помех сигналам, создаваемых зданиями. Сигналы отражаются от конструкций, создавая ошибки в процессе, называемом многолучевым распространением, искажая их точность, как изогнутая рулетка.

Следовательно, приемник GNSS должен обрабатывать эти нестабильные сигналы и часто прибегает к их усреднению для отображения. По мере перемещения приемника изменяющиеся углы отражения еще больше ухудшают сигнал, что приводит к ненадежному и нестабильным графикам.

В результате многолучевая ошибка и ее последствия приводят к тому, что традиционные сигналы GNSS изначально неточны в густонаселенных городских районах. Это создает особые проблемы для автономных наземных транспортных средств , требуя тесной и свободной связи.

Возьмем, к примеру, сигналы, показанные выше. Когда спутниковые сигналы отражаются от зданий, транспортных средств или других поверхностей, прежде чем достигнуть приемника, они создают ошибки, называемые многолучевым распространением. В результате приемник может получить несколько версий одного и того же сигнала в разное время, что приведет к ошибкам в расчете местоположения, поскольку приемник GNSS прибегает к их усреднению для отображения. По мере перемещения приемника изменяющиеся углы отражения еще больше ухудшают сигнал, что приводит к ненадежному и неустойчивому графику.

Достижения в области технологий привели к появлению решений для смягчения этих проблем, таких как использование NTRIP (сетевой транспорт RTCM через интернет-протокол). NTRIP позволяет приемникам GNSS получать доступ к данным коррекции в реальном времени через Интернет. Получая данные коррекции от опорных станций, расположенных в оптимальных положениях, приемники GNSS могут повысить точность своих решений по позиционированию даже в городских условиях.

Для интеграции NTRIP с системами INS/GNSS требуется тесная или слабая связь для обеспечения точности, надежности и достоверности. Тесная и слабая связь помогают решать проблемы, объединяя сильные стороны нескольких систем.

Что такое слабая связь в ГНСС и ИНС?

В контексте интеграции ГНСС/ИНС слабая связь подразумевает такие стратегии, как усреднение сигналов ГНСС и включение данных от инерциальных измерительных блоков (IMU) и алгоритмов объединения датчиков для повышения точности навигации.

Как установлено, измерения GNSS и INS сами по себе несут определенную степень неопределенности. Однако при слабой связи степень неопределенности значительно уменьшается, предоставляя высокоточную информацию о местоположении, которая охватывает такие параметры, как положение, скорость и ориентация от INS.

Преимущества свободного сцепления

Слабое связывание предлагает ряд преимуществ, включая простоту, легкость внедрения и экономическую эффективность. Поскольку слабое связывание позволяет компонентам работать независимо, разработчики могут изменять или заменять отдельные компоненты, не влияя на всю систему. Такая гибкость позволяет легко адаптироваться к изменяющимся требованиям или интегрировать новые функции.

Благодаря своей модульности, слабое соединение относительно просто в управлении и экономически эффективно. Каждый компонент может разрабатываться, тестироваться и обслуживаться независимо без огромного количества технических знаний.

Ограничения по слабому сцеплению

Хотя слабая связь немного улучшает точность навигации, ее может быть недостаточно для всех сценариев. Слабая связь основана на интеграции данных акселерометра для расчета скорости и положения, что может привести к дрейфу с течением времени из-за усреднения потенциально ошибочных данных GNSS.

Это явление снижает точность навигационного решения, что требует тщательного рассмотрения его применения.

Что такое тесная связь в ГНСС/ИНС?

Другой метод, известный как тесная связь, подразумевает использование измерений вспомогательных параметров сигнала для смягчения дрейфа в ИНС. По сравнению со слабой связью, тесно связанные системы способны обновлять состояния ошибок ИНС, даже если недостаточно данных ГНСС для фиксации положения.

Это может произойти, когда видны менее четырех спутников GNSS, что делает невозможным определение местоположения исключительно на основе информации GNSS.

В слабосвязанных системах эта ситуация приводит к полному отключению данных. Однако, сильносвязанные системы могут использовать ограниченные измерения GNSS, что позволяет частично смягчить дрейф ошибки INS.

Для достижения этого тесно связанные системы непрерывно калибруют IMU в реальном времени, особенно когда сигнал GNSS не имеет препятствий. Эта калибровка обеспечивает точное знание смещения IMU и обучает IMU предвидеть будущее местоположение сигнала GNSS (упреждающее моделирование).

Позволяя IMU оценивать достоверность и точность сигнала GNSS и выбирать сигнал GNSS, соответствующий его прогнозу, можно установить тесную связь между IMU и GNSS.

Преимущества жесткой связи для ИНС

По сути, слабая и тесная связь различаются в зависимости от типа информации, которой обмениваются отдельные системы. При слабой связи обработанное решение GNSS объединяется с решением INS; при сильной связи необработанные измерения GNSS объединяются с прогнозируемыми измерениями INS.

Благодаря активному снижению дрейфа и использованию ограниченных измерений ГНСС тесно связанные системы обеспечивают повышенную точность и надежность, особенно в сложных условиях с затрудненными или ненадежными сигналами ГНСС.

Внедрение RTK в тесно связанные системы INS/GNSS не только повышает точность позиционирования, но и общую надежность и устойчивость системы, что делает ее незаменимым инструментом для широкого спектра применений — от точного земледелия до навигации автономных транспортных средств.

Ограничения жесткой связи

Тесно связанные системы требуют сложной разработки программного обеспечения, которая может включать управление большим объемом системных данных, что может быть сложным в управлении.

Тесно связанные системы трудно масштабировать, поскольку добавление новых компонентов или увеличение размера существующих часто требует существенных изменений в других частях системы. Более того, тесная связь может привести к большему дублированию кода по сравнению со слабосвязанными системами, поскольку компоненты должны чаще взаимодействовать, что со временем усложняет обслуживание и обновления.

Наконец, тесная связь приводит к высокой зависимости между компонентами системы, поскольку они тесно связаны. Следовательно, изменения в одном компоненте могут вызвать изменения в другом, ограничивая гибкость и усложняя реагирование на меняющиеся требования. По мере того, как система становится сложнее, высокая координация между разработчиками становится необходимой.

Однако эта сложность имеет преимущество в виде возможности извлекать ценные данные из меньшего количества спутников GNSS. Моделируя ошибки наблюдения на основе калибровок для каждого спутника, эти системы значительно повышают точность и сокращают время простоя данных.

К счастью, ограничения тесной связи можно эффективно смягчить с помощью профессиональных услуг. 

Как первая масштабируемая INS с положением в реальном времени, точным до см по x, y, z и ориентации, Atlas обеспечивает новые приложения в области автономности, робототехники и картографии. Это самое передовое в мире оборудование для позиционирования, движок и сеть RTK в одном пакете.

Подробнее о слабом и сильном сцеплении

Теперь, когда мы получили представление о многочисленных применениях слабой и сильной связи и о том, как они могут помочь в объединении данных ГНСС/ИНС, давайте рассмотрим основы.

В чем разница между жесткой и слабой связью?

По сути, слабая и тесная связь различаются в зависимости от типа информации, которой обмениваются отдельные системы. При слабой связи обработанное решение GNSS объединяется с решением INS; при сильной связи необработанные измерения GNSS объединяются с прогнозируемыми измерениями INS.

В чем разница между отсутствием связи и слабой связью?

Отсутствие связи подразумевает отсутствие интеграции или взаимодействия между компонентами в системе. В системе без связи каждый компонент работает независимо и не взаимодействует или не делится данными с другими компонентами.

С другой стороны, слабая связь подразумевает некоторый уровень взаимодействия или интеграции между компонентами, хотя и с минимальными зависимостями. Хотя компоненты в слабосвязанной системе могут работать независимо, они также могут обмениваться данными или общаться через стандартизированные интерфейсы.

Как еще называется слабая связь?

Более слабое связывание также известно как связывание на уровне интеграции. Этот термин подчеркивает минимальные зависимости между компонентами в слабосвязанной системе, где интеграция происходит на более высоком уровне через стандартизированные интерфейсы или протоколы, а не через прямое взаимодействие.

Как еще называют тесную связь?

Тесная связь является синонимом глубокой интеграции или высокой сплоченности. Эти термины подчеркивают сильную взаимозависимость между компонентами в тесно связанной системе, где компоненты напрямую обмениваются данными и ресурсами и имеют высокую степень зависимости друг от друга для работы.

Доступ к тесно связанной системе INS для максимальной точности GNSS

Различие между слабой и сильной связью заключается в типе информации, которой обмениваются отдельные системы. В то время как слабая связь подразумевает слияние обработанного решения GNSS с решением INS, сильная связь интегрирует необработанные измерения GNSS с измерениями, прогнозируемыми INS.

Тесно связанные системы требуют сложной разработки программного обеспечения, которая может включать управление большим объемом системных данных, что может быть сложным в управлении.

Однако эта сложность сопровождается преимуществом возможности извлекать ценные данные из меньшего количества спутников GNSS. Моделируя ошибки наблюдения на основе калибровок для каждого спутника, эти системы значительно повышают точность и минимизируют время простоя данных.

Лучший способ получить все преимущества тесной связи, обойдя проблемы, — довериться экспертам Point One. Point One Atlas добилась этого технологического подвига, обеспечив при этом доступность, тем самым сделав его доступным для масс.

Наконец-то вы можете связать воедино сложные и громоздкие рабочие процессы постобработки и получить точные данные прямо с устройства. Современный веб-интерфейс Atlas оснащен потоковой передачей данных на устройстве и через Ethernet.