Литература

Лазерная локация земли и леса

4.5. Интегральное навигационное решение

Принципы образования интегрального навигационного решения>

Из представленного выше краткого описания основных принципов инерциальной навигации видно, что использование только триад гироскопов и акселерометров позволяет в принципе решить все основные навигационные задачи. В реальных GPS/IMU системах используется детальная модель динамики системы, которая включает набор алгоритмов решения уравнений движения Ньютона в геоцентрической системе координат, а также параметрическую модель ошибки IMU, которая описывает:

  • ошибки инерциального измерения позиции, скорости и ориентации;
  • дрейф гироскопа и ошибки масштабного коэффициента;
  • дрейф акселерометра и ошибки масштабного коэффициента и другие параметры.

Создание модели динамики системы весьма нетривиальная задача и исследованиям по этому направлению различные компании уделяют большое внимание.

Принципиально важно, что все ошибки IMU описываются системой алгебраических и дифференциальных уравнений с конечным числом параметров. Т.е. считается, что поведение системы было бы полностью определено используемыми уравнениями движения, если бы были известны точные значения этих численных параметров. Проблема состоит как раз в том, что численные значения этих параметров неизвестны априорно и, кроме того, они могут меняться с течением времени. Общее количество таких параметров может достигать нескольких десятков.

Главная идея методики работы GPS/IMU систем состоит в том, что значения неизвестных параметров могут быть определены путем решения системы уравнений, составляющих модель динамики системы, что может быть выполнено исключительно благодаря наличию GPS, выступающего в качестве независимого источника данных. Иными словами наличие нескомпенсированных ошибок IMU приведет к появлению рассогласований траекторий движения системы, исчисленных раздельно по GPS и IMU данным. Для получения корректного интегрального навигационного решения подбираются такие значения параметров модели динамики системы, при которых обе траектории будут тождественны. Это достигается описанным ниже способом.

Совместный анализ данных GPS и инерциальной системы

Инерциальная система и GPS являются взаимно дополняющими источниками навигационных данных, потому что их динамические ошибки, имея различную природу и спектральный состав, могут быть разделены, в результате чего погрешности обеих систем могут быть взаимно компенсированы. Более того, инерциальная система обеспечивает поддержку навигационного решения даже в случае полной потери GPS сигнала. Смешанное решение является непрерывным и, следовательно, сохраняет целостность данных (рис. 38).

pic_38.png
Рисунок 38. Схема образования интегрального навигационного решения в реальном времени за счет совместной обработки данных GPS и инерциальной системы

Интегральное навигационное решение может быть получено как в реальном времени, так и в процессе наземной постобработки. В любом случае, в ходе обработки программное обеспечение моделирует работу бортового инерциальной системы в рамках замкнутого контура обмена данными с GPS, фильтром Калмана, а также с контроллером ошибки IMU.

По сравнению с режимом построения навигационного решения реального времени, обработка навигационных данных в камеральных условиях позволяет добиться существенно лучших результатов по точности. Программное обеспечение включает рекурсивный алгоритм сглаживания, который обеспечивает получение «траектории наибольшей достоверности». Эта траектория является наилучшей для уровня точности данных, получаемых GPS и инерциальной системой.

Заключительные замечания по главе

В заключении данной главы хотелось бы еще раз повторить те факторы, которые, по нашему мнению, определили успех применения интегральных навигационных комплексов во многих системах аэрофототопографии и авиационного дистанционного зондирования:

  1. возможность одновременного решения задач навигации и прямого геопозиционирования данных съемки;
  2. точность, достаточная для решения большинства задач по крупномасштабному топографическому картографированию;
  3. получения навигационного решения, как в процессе наземной постобработки, так и в реальном времени;
  4. сравнительная простота реализации;
  5. экономическая целесообразность.

Справедливости ради необходимо отметить, что начало активного применения в аэросъемке систем прямого геопозиционирования GPS/IMU типа попрежнему вызывает активные дискуссии, главными вопросами которых являются:

  • Всегда ли достаточна заявляемая производителем паспортная точность для решения тех или иных задач?
  • Всегда ли реальная точность соответствует паспортной?
  • Как соотносятся методы прямого геопозиционирования и традиционные фотограмметрические методы?

Отметим также, что к настоящему времени появились целые классы аэросъемочных средств, работа которых невозможна без использования систем прямого геопозиционирования GPS/IMU типа. К таким приборам относятся, прежде всего, аэросъемочные лидары (Optech ALTM 3100, IGI LiteMapper, TopEye и др.), а также линейные фотографические сканеры (Leica ADS-40, Jena-Optronik JAS-150 и др.). Практически все другие современные средства авиационного дистанционного зондирования цифровые а аналоговые аэрофотоаппараты, радиолокаторы, спектрозональные и тепловизионные сканеры используют системы прямого геопозиционирования в качестве опции. Главный вывод, который может быть сделан в заключении, состоит в том, что, во-первых, никакой дальнейший прогресс в аэрогеодезии, дистанционном зондировании и в смежных отраслях без активного применения GPS/INS систем не возможен, и, во-вторых, наиболее перспективным направлением в этой области является комбинирование методов прямого геопозиционрования и традиционных фотограмметрических методов.