Integracija INS i GNSS_Amel_Zilic

Univerzitet u Sarajevu

Građevinski Fakultet

Odsjek za Geodeziju

INTEGRISANA NAVIGACIJA

(INS/GNSS INTEGRACIJA)

Predmet: Satelitske navigacijske usluge

Student: Amel Žilić

Mentor: Doc. dr. Medžida Mulić

Sarajevo, Januar, 2013

S A D R Ž A J:

LISTA SKRAĆENICA............................................................................................................................i

POPIS SLIKA.........................................................................................................................................ii

1. UVOD...................................................................................................................................................1

2. GLOBALNI NAVIGACIJSKI SATELITSKI SISTEM (GNSS)...................................................2

3. INERCIJALNI NAVIGACIJSKI SISTEM (INS)...........................................................................4

4. INERCIJALNA NAVIGACIJA........................................................................................................6

4.1. Kretanje u prostoru.........................................................................................................................6

4.2. Princip inercijalnih senzora............................................................................................................7

4.2.1. Akcelerometri..........................................................................................................................8

4.2.2. Žiroskopi.................................................................................................................................9

4.3. Greške senzora.............................................................................................................................10

5. INS/GNSS INTEGRACIJA.............................................................................................................12

5.1. Integracijska arhitektura...............................................................................................................13

5.1.1. Popravke inercijalnog navigacijskog rješenja.......................................................................14

5.1.2. Loosely coupled (labavo povezana) integracija....................................................................18

5.1.3. Tightly coupled (čvrsto povezana) integracija......................................................................20

5.1.4. Labava povezana integracija naspram čvrsto povezanoj integraciji.....................................21

5.1.5. Pomoć GNSS rješenjima.......................................................................................................21

5.1.6. Deep (duboka) integracija.....................................................................................................23

5.2. Napredna INS/GNSS integracija.................................................................................................25

5.2.1. Diferencijalni GNSS.............................................................................................................26

5.2.2. Pozicioniranje i orijentacija pomoću faznih GNSS mjerenja...............................................26

5.2.3. Napredne greške IMU modeliranja.......................................................................................27

5.2.4. Filtriranje...............................................................................................................................27

6. PRIMJENA INTEGRISANE NAVIGACIJE U GEODEZIJI.....................................................28

6.1. Mobilno kartiranje........................................................................................................................28

6.2. Podvodno snimanje......................................................................................................................30

6.3. Zračna gravimetrija......................................................................................................................30

7. ZAKLJUČAK....................................................................................................................................32

8. LITERATURA..................................................................................................................................33

Seminarski rad Integrisana navigacija

LISTA SKRAĆENICA

GNSS Global Navigation Satelite System

GPS Global Positioning System

GLONASS Global Navigation Satelite System

INS Inertial Navigation System

IMU Inertial Measurement Unit

DR Dead Reckoning

ECEF Earth Centered Earth Fixed

MEMS Micro Electro Mechanical System

ATC Adaptive Tightly Coupled integration

NCO Numerically Controlled Oscillator

ADR Accumulated Delta Range


POPIS SLIKA

Slika 1: Osnovni princip GNSS pozicioniranja. Sa poznatim položajem i udaljenosti od četiri satelita

prema prijemniku, određujemo poziciju prijemnika (URL 1)..................................................................2

Slika 2: Osnovni dijelovi inercijalnog senzora (Freitas, i dr., 2006, str.77).............................................4

Slika 3: Kretanje krutog tijela u prostoru opisanim sa dva vektora (Schultz, 2006, str. 14)....................6

Slika 4: Opći model akcelerometra sa nultim ubrzanjem (Schultz, 2006, str. 17)....................................8

Slika 5: MEMS sistemi (URL 3)...............................................................................................................9

Slika 6: Mehanički i optički Ring Laser žiroskop (Schultz, 2006., str. 19)............................................10

Slika 7: Opća INS/GNSS integracijska arhitektura (Groves, 2008, str. 364).........................................13

Slika 8: Open i close-loop INS arhitekturske popravke (Groves, 2008, str. 365)..................................14

Slika 9: Total-state INS/GNSS integracijska arhitektura (Groves, 2008, str. 368)................................17

Slika 10: Loosely coupled INS/GNSS integracijska arhitektura (Groves, 2008, str. 369).....................18

Slika 11: Čvrsto povezana INS/GNSS integracijska arhitektura (Groves, 2008, str. 370).....................20

Slika 12: Deep (duboka) INS/GNSS integracijska arhitektura (closed-loop INS popravke) (Groves,

2008, str. 373).........................................................................................................................................24

Slika 13: Automobil sa uređajem za snimanje saobraćajnica (Angrisano, 2010, str. 133).....................29

Slika 14: Dizajn sistema za snimanje željeznica (Kreye, i dr.)...............................................................29

Slika 15: Željezničko vozilo opremljeno sistemom za snimanje željeznica (URL 6)............................29

Slika 16: INS za navigaciju podvodnog vozila (URL 7)........................................................................30

Slika 17: Princip zračne gravimetrije (URL 8).......................................................................................31


1. UVOD

Na kritičnim područjima, kao što su urbana ili planinska, satelitska navigacija je otežana,

prvenstveno zbog blokiranja signala. Iz ovih razloga, satelitski sistemi su često integrisani sa

inercijalnim senzorima. Zajednička konfiguracija uključuje GPS (Global Positioning System) pijemnik

i visoko precizni inercijalni senzor, koji omogućava navigacijsku informaciju pa čak i ukoliko dođe do

prekida GPS signala.

U današnje vrijeme, razvijaju se inercijalni senzori sa niskom cijenom, malom veličinom,

masom i slabom tačnosti, pa je zbog toga njihovo korištenje kao dijela integracijskih navigacijskih

sistema pod istragom. Sa druge strane, povećanje broja GLONASS (Global Navigation Satelite

System) satelitskih sistema je uzrokovalo njegovim kombiniranjem sa GPS-om, s čime se povećala

sposobnost sistema kao npr. u tačnosti određivanja položaja. Ova kombinacija (GPS/GLONASS ili

GNSS) je isključivo korisna na mjestima sa slabim prijemom GPS signala. Za integraciju satelitskih i

inercijalnih informacija koristi se Kalman filter.

Ovaj rad je sadržan u osam poglavlja. U drugom i trećem poglavlju, opisani su navigacijski

sistemi koji su tema ovoga seminarskog. Prvo je opisan GNSS, tj. dat je kratak pregled o principu

pozicioniranja te samim greškama koje utječu na određivanje udaljenosti. Zatim je opisan i inercijalni

navigacijski sistem (INS), tj. šta on predstavlja i koji su to senzori koji se koriste za inercijalne sisteme.

Inercijalna navigacija kao i sam princip inercijalnih senzora, te greške koje se mogu pojaviti prilikom

mjerenja akcelerometrima i žiroskopima prikazani su u četvrtom poglavlju. Peto poglavlje opisuje

metode integracije INS/GNSS sistema, te njihove osobine. I u posljednjem poglavlju, navedena je

primjena integrisane navigacije u geodeziji, kao što su zračna gravimetrija, izmjera zemljišta,

navigacija automobila i dr.

1


2. GLOBALNI NAVIGACIJSKI SATELITSKI SISTEM (GNSS)

Globalni navigacijski satelitski sistem (GNSS) je zajedničko ime za sisteme satelita koji služe

za određivanje položaja, odnosno navigaciju objekata koji se nalaze bilo gdje na planeti Zemlji. Dakle,

postoji više globalnih navigacijskih sistema, od kojih su trenutno dva potpuno operabilni: GPS i

GLONASS. Svaki od sistema se sastoji od tri segmenta: svemirski, kontrolni, i korisnički.

GNSS ima veliku primjenu kao globalni servis u raznim oblastima. On je svakodnevni

pozicioni sistem koji je u mogućnosti da pruži trodimenzionalnu poziciju i vremensku sinhronizaciju

za UTC skalu. GNSS pozicioniranje je bazirano na tehnici mjerenja vremena koje je potrebano za

putovanje signala, koji se prenosi satelitom umanjen brzinom svijetlosti, kako bi se mogla izračunati

udaljenost između prijemnika i satelita.

Da bismo izmjerili vrijeme putovanja signala, satelit i prijemnik su opremljeni satovima. U

idealnim uslovima satovi satelita i prijemnika su sinhronizovani, i vrijeme putovanja pomnoženo sa

brzinom svijetlosti, daje udaljenost između satelita i prijemnika. U ovom slučaju pozicija prijemnika

pripadat će sfernoj površini centrisanoj u poziciji satelita i sa radijusom koji je jednak udaljenosti od

satelita do prijemnika. Iz ovoga slijedi, da četiri simultana mjerenja udaljenosti definišu četiri sferne

površine, čiji presjek omogućava dobivanje koordinata tačaka, tj. za određivanje pozicije prijemnika,

potrebna su nam najmanje četiri simultana mjerenja udaljenosti (slika 1).

2

Slika 1: Osnovni princip GNSS pozicioniranja. Sa poznatim položajem i udaljenosti od četiri satelita

prema prijemniku, određujemo poziciju prijemnika (URL 1)

http://what-when-how.com/wp-content/uploads/2012/02/tmp2D790_thumb.jpg


Međutim, satovi satelita i prijemnika nisu sinhronizovani, tako da utječu na greške mjerenja

udaljenosti. Također, postoje i drugi izvori grešaka koji utječu na mjerenja, kao što su: kašnjenje

signala zbog utjecaja jonosfere i troposfere, greške efemerida, utjecaj multipath-a i drugi. Ovako

izmjerena udaljenost nije jednaka stvarnoj udaljenosti i ona se naziva pseudoudaljenost (Angrisano,

2010, str. 22).

3


3. INERCIJALNI NAVIGACIJSKI SISTEM (INS)

Inercijalni navigacijski sistem (INS) predstavlja kombinaciju senzora koji su u mogućnosti da

odrede sve navigacijske vektore nekog objekta u pokretu, tj. njegovu poziciju, brzinu i orijentaciju.

Skup senzora nalazi se u inercijalnoj jedinici mjerenja (IMU) i sastoji se od tri akcelerometara i tri

žiroskopa koja su postavljeni u međusobno okomit položaj (slika 2).

Akcelerometri mjere specifične sile, koji su u inercijalnom okviru definirani kao:

(1)

gdje je:

f – specifična sila

a – ubrzanje

g – gravitaciono ubrzanje

Kako bi se dobila brzina pokretnog objekta, izmjerena specifična sila se popravlja

gravitacijskom silom. Integrisanjem dobivene brzine i početne pozicije, dobiva se „konačna“ pozicija.

Tako se INS sistem može smatrati sofisticiranim DR (Dead Reckoning) sistemom. Međutim, INS je

mnogo komplikovaniji nego što se čini, jer je izmjerena specifična sila izražena u okviru (body) koji je

drugačiji od okvira u kojem je uobičajeno izražena brzina i pozicija (navigacijski okvir). Iz ovog

razloga je žiroskop uključen u IMU. Žiroskopi omogućavaju mjerenja uglovne brzine poštujući

inercijalni okvir, koji kada se integriše osigurava uglovne promjene uzimajući u obzir poznatu početnu

4

Slika 2: Osnovni dijelovi inercijalnog senzora (Freitas, i dr., 2006, str.77)

f =a−g


orijentaciju (podrazumjeva se da je poznata). Tako se žiroskopi koriste za transformisanje izmjerene

specifične sile u navigacijski okvir. Transformacija može biti mehanička, tj. IMU je fizički spojen sa

navigacijskim okvirom, ili analitička, tj. mjerenja ubrzanja su numerički transformisana u navigacijski

okvir (Strapdown konfiguracija).

Greška mjerenja akcelerometrom koju nije moguće kompenzirati (npr. bias, ili kako se u našem

jeziku uobičajeno naziva sistematska greška) je linearna greška u brzini, koja se odražava kao

kvadratna pogreška položaja.

Ako nije kompenzirana greška žiroskopa, onda ona ima veoma značajan utjecaj, jer opisuje

linearnu grešku u mjerenju uglova, kvadratnu grešku brzine, kao i grešku u 3D položaju. Prema tome,

INS performanse zavise od kvaliteta uključenih žiroskopa (Angrisano, 2010, str. 35-36).

5


4. INERCIJALNA NAVIGACIJA

Ovo poglavlje opisuje načela inercijalne navigacije. Na samom početku, opisane su osnove

svojstava kretanja u prostoru. Ovo vodi ka prvom i drugom Njutnovom zakonu, koji predstavljaju

osnovu za razumjevanje inercijalne navigacije (Schultz, 2006, str. 14).

4.1. Kretanje u prostoru

Većina aspekata navigacijskog sistema, opisuju kretanje objekata i to čini njihovu glavnu

svrhu. Opšta kretanja objekata u prostoru su obično opisana sa tri koordinate i sa tri orijentaciona

parametra. Pretpostavljajući da imamo kruto tijelo, kretanje bilo koje tačke u body okviru može biti

ilustrovano pomoću dva vektora sa tri komponente kao što je prikazano na sljedećoj slici 2.

Prvi vektor, rce(t), opisuje vremensku varijablu vektora položaja od centra mase krutog tijela do

ECEF (Earth Centered Earth Fixed) kordinatnog okvira. Drugi vektor, rb, opisuje rotaciju krutog tijela

kao vektora između centra mase i tačke P u tijelu. Da bi se opisalo kretanje P, potrebna je vremenska

varijabla rotacijske matrice Rbe(t) od body okvira do zemljinog okvira (ECEF).

6

Slika 3: Kretanje krutog tijela u prostoru opisanim sa dva vektora (Schultz, 2006, str. 14)


Iz toga slijedi da kretanje P možemo opisati kao vremensku varijablu vektora položaja rpe(t)

kao:

(2)

Vektor položaja i rotacijska matrica kao vremenske funkcije nazvane su navigacijskim

varijablama vektora. Obično, vektor brzine kao vremenska funkcija uključen je u navigacijske

varijable vektora, ali budući da se brzina odnosi na poziciju kroz diferencijaciju potrebno je samo

odrediti šest parametara kako bi se opisalo opće kretanje nekog objekta u prostoru.

Za određivanje svih navigacijskih varijabli vektora, zahtjeva se sistem koji može da mjeri šest

nezavisnih veličina. Navigacijski senzor može da mjeri jednu ili više veličina. Sistem koji kombinira

određeni broj navigacijskih senzora, tako da svih šest parametara može biti izmjereno, naziva se

navigacijski sistem. INS je takav sistem.

Navigacijski sistemi mogu biti razvrstani prema dva glavna koncepta za dobijanje varijabli

vektora navigacijskih položaja, tj. varijabli vektora stanja:

INS sistem koristi DR sistem koji određuje trenutnu poziciju na osnovu poznate prethode

pozicije, mjerenja pravaca kretanja i pređenog puta.

određivanje položaja („fiksiranje pozicije“). Ovom metodom se određuje trenutna pozicija

(navigacijska) na osnovu poznate (referentne) tačke. Metoda „fiksne pozicije“ koristi se kod

GPS/GNSS (Schultz, 2006, str. 15).

4.2. Princip inercijalnih senzora

Princip inercijalnih senzora se temelji na primjeni Newtonovih zakona kretanja. Inercija je

svojstvo tijela da zadrže konstantnu translacionu i rotacionu brzinu sve dok na njih ne dijeluju sile.

1. Newtonov zakon: Svako tijelo ostaje u stanju mirovanja ili jednolikog gibanja po pravcu sve

dok vanjske sile ne uzrokuju promjenu tog stanja.

2. Newtonov zakon: Ubrzanje tijela proporcionalno je vanjskoj sili koja djeluje na njega i

obrnuto proporcionalna njegovoj masi. Smjer ubrzanja je u smjeru ukupne sile koja djeluje na

tijelo. (URL 2)

Detektor koji mjeri ubrzanje igra odlučujuću ulogu u inercijalnoj navigaciji. Zajedno sa

detektorom koji mjeri uglovne brzine moguće je odrediti navigacijske varijable vektora

kombinovanjem svakog ovog detektora pojedinačno. Ovakvi detektori se nazivaju akcelerometri i

7

r pe ( t )=r c

e( t )+Rbe ( t )⋅rb

http://www.phy.pmf.unizg.hr/~zskoko/Fizika_mat_web/Fizika_za_matematicare_files/Fizika1_pr2.pdf


žiroskopi (zajednički naziv im je inercijalni senzori). Također, odlučujuću ulogu ima i važnost odnosa

mjerenja ubraznja i uglovne brzine. Stoga je potreban inercijalni referentni okvir. Inercijalni referentni

okvir je koordinatni okvir u kojem važe Newtonovi zakoni kretanja i oni niti rotiraju niti ubrzavaju

(Schultz, 2006, str. 16).

4.2.1. Akcelerometri

Akcelerometar je u suštini neka određena masa koju od oklopa odvaja par opruga. Kod nulte

akceleracije masa će se nalaziti u određenoj kalibriranoj poziciji koja se naziva položaj ravnoteže.

Svaki akcelerometar ima osjetljivu os. Svaka akceleracija duž te osi će pomaknuti masu duž te osi.

Pomak mase je proporcionalan sili akceleracije (po 2. Newtonovom zakonu), stoga mjerenje pomaka

mase iz položaja ravnoteže daje akceleraciju uzduž osi (slika 3).

Akcelerometar mjeri sve tipove ubrzanja bez obzira da li dolazi od sile gravitacije ili ubrzanja

vozila. Da bi se dobila akceleracija obzirom na inercijalni okvir (najčešće ECEF) treba oduzeti

akceleraciju gravitacije i to se naziva specifična sila. Kako je akceleracija obzirom na inercijalni okvir

jednaka kao i akceleracija vozila, formula je jednostavna:

(3)

Razvijene su razne vrste akcelerometra od izuma prvog akcelerometra poznatog kao Atwood-

ov uređaj, kojeg je izumio Engleski fizičar George Atwood 1783. godine. Postoje dvije glavne vrste

akcelerometra: open-loop i closed-loop (Schultz, 2006, str. 18). Razlika je u načinu mjerenja 8

Slika 4: Opći model akcelerometra sa nultim ubrzanjem (Schultz, 2006, str. 17)

a= f −g


specifične sile. Open-loop mjere pomake mase iz položaja ravnoteže, dok closed-loop mjere silu

potrebnu da zadrži masu u položaju ravnoteže.

Danas se akcelerometri širom svijeta koriste u naučnim i inžinjerskim sistemima. Jedan od

najmanjih akcelerometara predstavlja dio mikro elektro-mehaničkog sistem (MEMS) i može biti manji

od jednog mm i mase od jednog grama (slika 5). Ovi mali uređaji se koristi npr. u sistemima zračnih

jastuka i zbog toga trebaju biti veoma jeftini za proizvodnju. Skuplji akcelerometri se koriste za neke

veće namjene kao što je INS. Izlaz (rezultat) akcelerometar je izražen u [m/s2] za specifičnu silu i u

[m/s] kod brzine prirasta vektora sa obzirom na specifičnu silu (Schultz, 2006, str. 18).

4.2.2. Žiroskopi

Žiroskop (ili kako ga često nazivamo žiro) je senzor koji mjeri ili održava uglovnu rotaciju.

Radi na principu održavanja uglovnog momenta. Izumio ga je 1852. godine, francuski fizičar Leon

Foucault (1819-1868), koji je pokazao da žiroskop može mjeriti rotaciju Zemlje (Khare, 2007, str.

267). Prvi žiroskop bio je isključivo mehanički i radio je sa rotorom koji se mogao rotirati jedanput

oko ose. Rotor je kod mehaničkih žiroskopa spojen na dva prstena koji su dalje bili spojeni s bazom.

To je davalo tri stupnja slobode rotoru i omogućavalo održavanje orijentacije dok se baza okretala u

bilo kojem smjeru. Zbog trenja između pokretnih dijelova uvijek su se javljale greške. Konvencionalni

žiroskopi mjere orijentaciju za razliku od optičkih i MEMS koji mjere uglovne brzine.

9

Slika 5: MEMS sistemi (URL 3)

http://www.isli.co.uk/case-studies/mems/


Optički žiroskopi (žiroskopi sa laserskim prstenovima i žiroskopi sa optičkim vlaknom) koji

nemaju pokretnih dijelova, izumljeni su da bi spriječili greške koje nastaju trenjem i da minimiziraju

veličinu i troškove žiroskopa. Preciznost optičkog žiroskopa još uvijek nije na istom nivou kao kod

mehaničkog žiroskopa, ali je optički žiroskop u mogućnosti da pojedine aplikacije uspješno zamjeni.

Osnovni princip žiroskopa sa optičkim vlaknom je da mjeri faze između dvaju svijetlosnih zraka koje

su poslane u isto vrijeme i iz istog zajedničkog izvora. Obje idu kroz iste zatvorene kanale sa optičkim

vlaknom u smjeru kazaljke na satu, i suprotno od smjera kazaljke na satu. Ukoliko žiroskopi sa

optičkim vlaknom daju rotaciju, dvije svijetlosne zrake će doći do izvora (koji sada radi kao detektor)

u različitom vremenu obzirom na rast/pad putanje. To rezultira pomakom faze koja se može pretvoriti

u uglovne brzine.

Slično tome, žiroskop sa laserskim prstenom šalje dvije svjetlosne zrake prema tri ili četiri

ogledala da bi se izmjerile razlike između trenutaka dolaska zraka (slika 6). Manji žiroskopi se koriste

sa MEMS tehnologijom, ali kada je u pitanju preciznost manji žiroskopi su i dalje jako daleko i od

optičkog i mehaničkog žiroskopa, i ne mogu se koristiti za neke veće performanse INS-a. Kao i kod

akcelerometara, izlaz (rezultat) kod žiroskopa mora biti mjeren sa „poštivanjem“ inercijalnog okvira.

Izlaz (rezultat) je obično izražen u [deg/h ili rad/s] za uglovne brzine ili u [deg ili rad] za uglovne

rotacije (Schultz, 2006., str. 20).

4.3. Greške senzora

Mjerenja sa akcelerometarima i žiroskopima su podležna greškama, kao i sva mjerenja. Ove

greške znaju biti dosta konfuzne, ali ih je potrebno razumjeti kako bi se procijenio kvaliteta rada

inercijalnih senzora:

10

Slika 6: Mehanički i optički Ring Laser žiroskop (Schultz, 2006., str. 19)


Sistematski utjecaji ili greške (eng. bias) nisu korelirani sa ulaznim mjernim veličinama. Nastaju

zbog nestabilnosti slučajnih varijacija, ukoliko je output (rezultat mjerenja) izračunat u određenom

intervalu. Sistematski utjecaji kod INS sistema su obično izraženi u sljedećim veličinama:

u [m/s2 ili mg] za akcelerometre i

u [deg/h ili rad/s] za žiroskope.

Faktor razmjere. Ova vrsta grešaka predstavlja odnos promjena u mjerenjima (output-a) u odnosu na

namjenjeni input. Uobičajno se izražava u [ppm] kako za akcelerometare, tako i za žiroskope.

Osjetljivost je povezana s faktorom razmjere. Prizvođači ponekad miješaju ove pojmove. Razlika je u

tome što se osjetljivost odnosi na sekundarni input, npr. promjene u temperaturi, dok se faktor

razmjere odnosi na primarne inpute. Sistematski utjecaji i faktori razmjere mogu biti određeni

kalibriranjem. Najtačnije metode kalibracije dobijaju se upotrebom npr. tri-osne tablice, šest-statični

testova i testova uglovne brzine (engl. three-axial turn tables, six-static test and angle rate tests).

Općenito, oni određuju sistematske utjecaje i faktore razmjere na osnovu upoređivanja s poznatim

parametrima npr. parametrima sile Zemljine teže, ili pak dobro poznatim mjerenim ugovima koji se

mjere (output).

Ponovljivost je bliskost mjerenja (srednje kvadratno odstupanje) koja se mogu dobiti ako se ponavlja

mjerenje sa istim ulaznim varijablama pod istim uslovima. Izražava se u [m/s2 ili mg] za akcelerometre

i [deg/h ili rad/s] za žiroskope.

Rezolucija je minimalna vrijednost inputa, koji je veća od razine šuma. Izražava se u [m/s2 ili mg] za

akcelerometre i [deg/h ili rad/s] za žiroskope.

Stabilnost je sposobnost dobijanja istog outputa prilikom mjerenja nekog konstantnog inputa.

Izražava se u [m/s2 ili mg] za akcelerometre i [deg/h ili rad/s] za žiroskope.

Šum je slučajna ili stohastička greška, koja se dešava u mjerenjima (output-u) i jedino može biti

uklonjena primjenom različitih stohastičkih modela. Prilikom procjene tačnosti i kvaliteta

akcelerometara i žiroskopa, često se koristi termin „slučajni hod“ kad se koristi sredina jednaka nuli, i

standardna devijacija koja raste sa kvadratnim korijenom (varijable) vremena. Parametri stohastičkog

modela mogu biti procjenjeni kroz dugi vremenski period sakupljanja statičkih podataka kako za

akcelerometre, tako i za žiroskope (Schultz, 2006., str. 20-21).

11


5. INS/GNSS INTEGRACIJA

Inercijalna navigacija ima brojne prednosti. Osigurava visoku propusnost izlaza najmanje 50

Hz i pokazuje nizak kratkoročan šum. Također, osigurava efikasanu orijentaciju, uglovnu brzinu, i

mjerenja ubrzanja, kao i položaj i brzinu. Međutim, tačnost rješenja inercijalne navigacije opada sa

vremenom kako su greške inercijalnog instrumenta integrisane kroz navigacijske jednačine.

GNSS sistemi osiguravaju tačnost položaja sa greškama ograničenim do nekoliko metara, dok

je korisnička oprema dostupna za manje od 100 $/€. Međutim, u poređenju sa INS-om, brzina izlaza je

spora, oko 10 Hz, i standardna GNSS korisnička oprema ne mjeri položaj u zatvorenom prostoru.

GNSS signali su također predmet obstrukcije i smetnje, tako da se ne možemo osloniti na GNSS da

osigura kontinuirana navigacijska rješenja.

Prednosti i nedostaci INS-a i GNSS-a su komplementarna, tako da integrirajući ih prednosti

obe tehnologije se kombiniraju da daju kontinuirano i kompletno navigacijsko rješenje sa visokom

tačnošću. U integrisanom INS/GNSS, ili GNSS/INSS navigacijskom sistemu, GNSS mjerenja

sprječavaju odstupanja inercijalnih rješenja, dok INS „gladi“ GNSS rješenje.

INS/GNSS integracija je pogodna za uspostavljene inercijalne navigacijske aplikacije kao što

su brodovi, avioni, i dalekometni projektili. Također, integracija sa GNSS-om čini inercijalnu

navigaciju praktičnom sa niskim cijenama inercijalnih senzora, čineći INS/GNSS pogodnim

navigacijskim rješenjem za lake avione, helikoptere, kratko i srednjodometna oružja sa navođenjem,

manje brodove, itd. INS/GNSS integracija je ponekad korištena za putna vozila i osobnu navigaciju.

Slika 5. prikazuje osnovnu konfiguraciju INS/GNSS navigacijskog sistema. Integracijski

algoritam upoređuje inercijalno navigacijsko rješenje sa izlazima GNSS korisničke opreme i

procjenjuje popravke za inercijalni položaj, brzinu, i rješenje orijentacije uobičajeno duž drugih

parametara. Obično je bazirano na Kalman filtru. Popravljeno inercijalno navigacijsko rješenje zatim

formira integrisano navigacijsko rješenje. Ova arhitektura osigurava da integrisano navigacijsko

rješenje uvijek postoji, bez obzira na dostupnost GNSS signala.

12


Hardverska konfiguracija INS/GNSS sistema je promjenjljiva. Integracijski algoritam može biti

smješten u INS ili GNSS korisničkoj opremi, ili odvojeno. Naizmjenično, sve može biti smješteno u

jednu jedinicu poznatu kao ugrađeni GNSS u INS. Sistem u kojem inercijalna navigacijska jednačina i

integracijski algoritam dijele isti procesor, ali je IMU1 podjeljen, ponekad je poznat kao integrisani

IMU/GNSS ili GNSS/IMU sistem. Međutim, IMU/GNSS se ne razlikuje od INS/GNSS sistema

(Groves, 2008, str. 363-364).

5.1. Integracijska arhitektura

Arhitektura INS/GNSS integrisanog navigacijskog sistema varira u tri pogleda:

kako su popravke predstavljene u inercijalnom navigacijskom rješenju,

koji tipovi GNSS mjerenja se koriste, i

kako je GNSS korisnička oprema potpomognuta sa INS-om i integracijskim algoritmom.

Ovi pogledi su uglavnom zavisni jedni od drugih. U literaturi, pojmovi kao što su loosely coupled

(labavo povezana), tightly coupled (čvrsto povezana), ultratightly coupled (ultra-čvrsto povezana),

closely coupled (blisko povezana) i deeply coupled (duboko povezana) su korišteni da definišu

integracijsku arhitekturu. Međutim, ne postoji zajednički dogovorena definicija tih pojmova.

U loosely coupled (labavo povezani) arhitektruri, INS/GNSS sistem koristi GNSS položaj i

rješenje brzine kao mjeru ulaza za integracijski algoritam, bez obzira na tip INS popravaka. To je

kaskadna arhitektura, gdje GNSS korisnička oprema uključuje navigacijski filter.

1 IMU je sistem sastavljen od više žiroskopa i akcelerometara. On omogućuje da se prate promjene ubrzanja (akcelerometri) i male promjene smjera po komponentama (žiroskopi).

13

Slika 7: Opća INS/GNSS integracijska arhitektura (Groves, 2008, str. 364)


U tightly coupled (čvrsto povezana) arhitekturi, INS/GNSS sistem koristi GNSS pseudo-

udaljenosti i brzinu, kao ulaz za intgracijski algoritam, bez obzira na tip INS popravaka. Pojam closely

coupled se primjenjuje i u tightly i u loosely coupled arhitekturi, tako da se ne opisuje.

Deeply coupled (duboko povezana) integracija, također poznata kao ultratightly (ultra-čvrsta)

coupled (UTC) arhitektura, kombinuje INS/GNSS integraciju i GNSS signal.

Najjednostavniji način kombiniranja INS-a i GNSS-a je uncoupled (uncoupled) sistem, gdje je

GNSS jednostavno korišten za obnavljanje inercijalnog navigacijsko rješenja na intervale (korištenjem

ručnih komandi). Ova arhitektura se primjenjuje u avionima, gdje je GPS nadograđen kada je INS već

instaliran. Ovo nije prava (istinska) integracija i nadalje se više ne opisuje (Groves, 2008, str.364-365).

5.1.1. Popravke inercijalnog navigacijskog rješenja

Integrisano navigacijsko rješenje od INS/GNSS integrisanog navigacijskog sistema je

popravljeno inercijalno navigacijsko rješenje. U konvencionalnoj integracijskoj arhitekturi korištenjem

error-state2 Kalman filtera, koji otkriva i eliminira pogreške vektora stanja, te odvajanjem inercijalnog

navigacijskog procesiranja, popravke mogu biti „open-loop“ ili „closed-loop“, bez obzira na tip GNSS

mjerenja koja se koriste, ili pak kako je GNSS korisnička oprema potpomognuta. Obje arhitekturske

popravke su prikazane na slici 6.

2 Pogreška vektora stanja

14

Slika 8: Open i close-loop INS arhitekturske popravke (Groves, 2008, str. 365)


U open-loop konfiguraciji, procjenjeni položaj, brzina i greške orijentacije se koriste da

poprave inercijalno navigacijsko rješenje unutar integracijskog algoritma pri svakoj iteraciji. Prema

tome, samo integrisano navigacijsko rješenje sadrži procjene Kalman filtera, i sirovo INS rješenje je

dostupno za korištenje u nadzoru integriteta. Bilo koje ili sirovo INS ili integrisano navigacijsko

rješenje se može koristiti za GNSS pomaganje.

Popravljeno inercijalno navigacijsko rješenje,Cbγ

,vβbγ

,ir βbγ

ili pb , koje formira integrisano

navigacijsko rješenje, je dobiveno iz sirovog inercijalnog navigacijskog rješenja,~Cb

γ,~v βb

γ,i~r βb

γ ili

~pb ,

korištenjem

Cbγ=δ Cb

γT~Cbγ

(4)

vβbγ =~v βb

γ −δ v βbγ

(5)

i

r βbγ =~r βb

γ −δ rβbγ

(6)

ili

Lb=~Lb−δ Lb

λb=~λ b−δ λb (7)

hb=~hb−δ hb

gdje su orijentacija, brzina i greške položaja, δ Cbγ,δ v βb

γ,δ rβb

γ,δ Lb ,δ λb ,i δ hb procjene Kalman filtera.

Referentni okvir, β (lokalni navigacijski), i rješavajuće osi, γ, su dane sa

{ β , γ }∈ {i , i }, {e , e } , {e ,n } (8)

i zavise na kojem koordinatnom okviru se koristi za inercijalne navigacijske jednačine.

Gdje je aproksimacija malog ugla primjenjljiva na greške orijentacije, što često nije slučaj sa

open-loop integracijom, (4) postaje:

15


Cbγ≈( I 3−¿¿ (9)

gdje je δ ψ γbγ

Kalman filter procjena greške orijentacije od INS body okvira, b, u odnosu na okvir γ

(globalni geocentrični), rješeno u okvir γ ose.

U closed-loop konfiguraciji, procjenjeni položaj, brzina, i greške orijentacije se vraćaju u

inercijalni navigacijski procesor, ili na svaku Kalman filter iteraciju ili periodično, gdje se iste koriste

da poprave inercijalno navigacijsko rješenje. Kalman filter procjene položaja, brzine i orijentacije

dobivaju nulu poslije svakog seta popravaka. Prema tome, ne postoji zavisno netačno inercijalno

navigacijsko rješenje. U closed-loop (zatvorena petlja) integracija, Kalman filter minimizira veličinu

strukture, minimizirajući greške linearizacije u modelu sistema.

U closed-loop integraciji, postoji samo popravljeno inercijalno navigacijsko rješenje. Nove

popravke se primjenjuju koristeći:

Cbγ (+)=δ Cb

γTCb

γ (−)≈( I3−¿¿ (10)

vβbγ (+)= v βb

γ (−)−δ v βbγ

(11)

i

r βbγ (+)=r βb

γ (−)−δ r βbγ

(12)

ili

Lb (+)=Lb (−)−δ Lb (+)

λb(+)= λb (−)−δ λb (+) (13)

hb(+)=hb (−)−δ hb (+)

gdje dodaci (-) i (+) redom označavaju prije i poslije popravaka, i gdje je aproksimacija malog ugla

uglavnom primjenjljiva na grešku orijentacije.

U closed-loop integracijskoj arhitekturi, bilo koji akcelerometar i greške žiroskopa dobivene

kao procjene Kalman filtera se vraćaju da poprave IMU mjerenja, koji predstavljaju ulaze u inercijalne

navigacijske jednačine. Ove popravke se odnose na svaki akcelermetar i žiroskop koji se primjenjuje u

16


IMU procesoru. Zanemarujući položaj, brzinu i greške orijentacije, akcelerometar i greške žiroskopa

se moraju primjenjivati na svakoj iteraciji navigacijske jednačine. Također, mogu se vratiti i

zamjenske procjene za navigacijske jednačine, ili procjenjene greške residuala i smetnji pohranjene u

navigacijskim jednačinama.

Izbor open-loop ili closed-loop INS/GNSS integracije je funkcija od INS kvalitete i kvalitete

integracijskog algoritma. Gdje se koriste „nisko-razredni“ inercijalni senzori, jedino je closed-loop

intergracija pogodna, bez obzira na kvalitet integracijskog algoritma. To je zbog toga, što će sirovo

inercijalno navigacijsko rješenje biti od male koristi, dok će open-loop konfiguracija vjerovatno voditi

do velikih grešaka linearizacije u Kalman filteru. S druge strane, gdje se koristi „visoko-kvalitetni“

INS senzori sa „nisko-kvalitetnim“ integracijskim algoritmom, open-loop konfiguracija se koristit za

nadzor integriteta3, gdje su greške linerarizacije male. Sirovo inercijalno navigacijsko rješenje može se

održavati paralelno sa closed-loop integracijskim rješenjem, tamo gdje su INS senzori i integracijski

algoritami visoko kvalitetni, i gdje su open-loop i close-loop konfiguracije primjenjljive.

Navigacijski sistemi, gdje je IMU dostavljen odvojeno i inercijalna navigacijska jednadžba i

algoritmi djele isti procesor, su idelno pogodni za closed-loop integraciju, dok su povratne popravke

potpuno pod kontrolom dizajnera integrisanog navigacijskog sistema. Međutim, gdje je INS dostavljen

kao kompletna jedinica, closed-loop integraciji se pristupa sa oprezom, tako da je onda neophodno da

se uvjerimo da su popravke poslane u obliku koji INS očekuje, a koje možda nisu jasno definisane.

Alternativa error-state Kalman filteru u INS/GNSS integraciji je total-state4 Kalman filter, koji

procjenjuje apsolutni položaj, brzinu i orijentaciju umjesto grešaka u odgovarajućim INS izlazima. U

total-state Kalman filteru, inercijalne navigacijske jednačinee su ugrađene u modelu sistema. Kako su

one nelinearne, mora se koristiti prošireni Kalman filter. Model sistema je onda funkcija od IMU

izlaza. Slika 7 prikazuje sistemsku arhitekturu.

3 Integritet bi se ovdje uvjetno mogao nazvati pouzdanost4 Ukupni vektor stanja

17

Slika 9: Total-state INS/GNSS integracijska arhitektura (Groves, 2008, str. 368)


U total-state integraciji, model sistema se mora ponavljati istom brzinom kao inercijalne

navigacijske jednačine u error-state implementaciji. Procesirane jednačine u total-state INS/GNSS

implemenatciji su iste kao i one u closed-loop error-state implemenataciji, tako da će učinak biti isti.

Razlika je samo u arhitekturi softvera (Groves, 2008, str. 365-368).

5.1.2. Loosely coupled (labavo povezana) integracija

Slika 8 prikazuje loosely copled INS/GNSS integracijsku arhitekturu. Položaj i/ili brzina GNSS

navigacijskog rješenja je ulaz kao mjerenje za integracijski Kalman filter, koji ih koristi za procjenu

INS grešaka. Integrisano navigacijsko rješenje je INS navigacijsko rješenje popravljeno sa Kalman

filter procjenama njegovih grešaka.

Generalno, korištenje mjerenja brzine, prije mjerenja položaja, poboljšava se mogućnost

mjerenja INS orijentacije i instrumentalnih grešaka. To se dešava zbog toga što su ove greške manjih

integracijskih koraka udaljeni od brzine, nego od položaja u sistemu i mjernim modelima. Prema tome,

korištenjem mjerenja brzine reduciraju se zaostajanja u procjeni ovih vektora stanja, iako nema

dodatnih informacija. Također, korištenjem mjerenja brzine reducira se mogućnost pogrešnog mjerenja

18

Slika 10: Loosely coupled INS/GNSS integracijska arhitektura (Groves, 2008, str. 369)


položaja, kao npr. mjerenja šuma koja su integrisana u procjenji vektora stanja. Stoga, većina

INS/GNSS integracijskih algoritama koristi i mjerenja brzine i položaja.

Dvije glavne prednosti loosely coupled integracije su jednostavnost i prekobrojnost.

Arhitektura je jednostavna u tome što se može koristiti sa bilo kojim INS-om i bilo kojom GNSS

korisničkom opremom, čineći je posebno pogodnom za dodatne aplikacije. U loosely-coupled

arhitekturi često je dostupno navigacijsko rješenje koje primjenjuje samo GNSS5 mjerenja uz

integrisano rješenje. Gdje je open-loop INS popravka implementirana, tamo također postoji i

nezavisno INS rješenje. Ovo omogućava osnovna paralelna rješenja nadzora pouzdanosti (integriteta).

Glavni problem sa loosely coupled INS/GNSS integracijom proizilazi iz korištenja kaskadnog

Kalman filtera, tj. činjenica da se izlazi GNSS Kalman filtera mogu koristiti kao ulazi u integracijski

Kalman filter. Greške izlaza Kalman filtera su vremenski korelirane, dok se za greške mjerenja

Kalman filtera pretpostavlja da se u nekorelirane u vremenu. Korelacijsko vrijeme grešaka GNSS

navigacijskog rješenja variraju i mogu biti preko 100 sekundi za položaj i 20 sekundi za brzinu.

Ključni problem je izbor integracijskog Kalman filtera i brzine iteracijskog mjerenja. Ukoliko su

mjerenja procesirana prebrzo, filter će postati nestabilan. Obrnuto, ukoliko su mjerenja procesirana

presporo, mogućnost mjerenja INS grešaka će biti smanjena. Za stabilnost, sistem mora biti podešen

tako da je propusnost integracijskog Kalman filtera uvijek manja od GNSS Kalman filtera. Taj interval

mjerenja iznosi oko 10 sekundi. Ovaj problem se ne pojavljuje kada GNSS korisnička oprema

izračunava navigacijsko rješenje za samo jednu tačku (single-point rješenje). Također, postoji još

mnogo problema sa loosely-coupled pristupom. Zahtjevaju se signali sa četiri različita satelita da bi se

održalo GNSS navigacijsko rješenje, ali se mogu koristiti i signali sa tri različita satelita za kraći

vremenski period. Iz ovoga proizilazi, da ukoliko koristimo manje satelita, GNSS podaci se ne mogu

koristiti za pomaganje INS-u. Također, integracijski filter mora poznavati kovarijancu izlaza GNSS

filtera, jer on varira sa geometrijom satelita i dostupnosti signala. Mnogi dizajni GNSS korisničke

opreme ne daju stvarne kovarijance, a postoje i neki drugi dizajni koji ne daju informacije o

kovarijanci (Groves, 2008, str. 368-370).

5 „Stand-alone“ GNSS rješenje

19


5.1.3. Tightly coupled (čvrsto povezana) integracija

Slika 9 prikazuje tightly coupled INS/GNSS integracijsku arhitekturu, koja predstavlja primjer

jedne centralizovane integracije. Ovdje je GNSS Kalman filter sadržan unutar INS/GNSS

integracijskog sistema. Pseudo-udaljenost i brzina promjene pseudo-udaljenosti iz GNSS procesora

predstavljaju ulaze za mjerenje Kalman filtera, koji koristi ove veličine da bi procijenio greške u INS i

GNSS sistemima. Kao i kod labave povezane arhitekture, popravljena navigacijska rješenja formiraju

integrisana navigacijska riješenja.

U teoriji, moguće je koristiti mjerenja pseudo-udaljenosti i brzine promjena pseudo-udaljenosti,

ali u svim praktičnim sistemima oba se koriste zbog mogućnosti mjerenja i zbog toga što su oni

komplementarni. Pseudo-udaljenosti se određuju iz kodnih mjerenja, dok su brzine promjene pseudo-

udaljenosti izvedene iz mnogo tačnijih mjerenja, tj. faznih mjerenja.

Prednost čvrsto povezane arhitektura proizilazi kombinacijom dva Kalman filtera labavo

povezane arhitekture u jedan. Statistički problemi, koji nastaju korištenjem rješenja jednog Kalman

filtera kao mjerenja drugog, su eliminirana. Kako god, propusnost Kalman filtera mora biti sadržana u

GNSS-ovoj propusnosti, kako bi se spriječilo praćenje vremensko-koleriranog šuma od kontanimiranih

20

Slika 11: Čvrsto povezana INS/GNSS integracijska arhitektura (Groves, 2008, str. 370)


procjena vektora. Sistem ne treba potpuno GNSS rješenje da bi pomoglo INS-u. GNSS mjereni podaci

predstavljaju ulaz, iako postoji samo jedan satelitski signal.

Glavni nedostatak čvrsto povezane arhitekture jeste to da ne postoji inherentno stand-alone

GNSS riješenje.Međutim, GNSS-ovo navigacijsko riješenje može biti sačuvano, ukoliko je potrebno.

Korištenjem istih inercijalnih instrumenata i GNSS korisničke opreme, čvrsto povezana INS/GNSS

arhitektrua gotovo uvijek daje bolje rezultate nego labavo povezana, u zavisnosti od tačnosti i

robusnosti (Groves, 2008, str. 370-371).

5.1.4. Labava povezana integracija naspram čvrsto povezanoj integraciji

Labava i čvrsta integracija se u suštini razlikuju za tip informacija koji dijele između

individualnih sistema (GNSS-a i INS-a). Procesirano GNSS rješenje je spojeno sa INS rješenjem u

labavoj arhitekturi, dok su sirova GNSS mjerenja kombinirana sa INS predviđenim mjerenjima u

čvrsto povezanoj arhitekturi. Ovo vodi ka različitim strukturama između dvije arhitekture, sa dva

odvojena filtera u labavo povezanoj i samo sa jednim centralizovanim filterom u čvrstoj povezanoj

arhitekturi.

Prednost odvojenih filtera u labavoj arhitekturi jeste da su manji u odnosu na odgovarajući

centralizirani filter u čvrstoj integraciji, što vodi ka bržem vremenu procesiranja. Također, labavo

povezana arhitektura je mnogo robusnija (snažnija), zbog toga što INS i GNSS rade odvojeno i tako

kontinuirano mogu osigurati navigacijsko rješenje u slučaju kvara jednog od sistema.

Sa druge strane, veliki nedostatak labavo povezane arhitekture je nemogućnost da osigura

GNSS mjerenja u slučaju nedovoljne vidljivosti satelita (npr. manje od četiri satelita). Iz ovog razloga,

čvrsto povezana strategija se koristi u područjima sa slabom vidljivosti satelita kao npr. u urbanim

kanjonima (Angrisano, 2010, str. 86).

5.1.5. Pomoć GNSS rješenjima

Inercijalno navigacijsko rješenje6 se može koristiti kao pomoć GNSS-u prilikom prikupljanja

mjerenja i praćenja satelita. U slučaju dobivanja integrisanog navigacijskog rješenja, primjenom

metode duboke (deep) integracije, potpora GNSS-u prilikom prikupljanja mjerenja je jednaka, dok je

potpora praćenja satelita inherentan7 dio integracijske arhitekture. Tamo gdje se koriste open-lopp INS

popravke, može se koristiti ili sirovo ili popravljeno inercijalno navigacijsko rješenje kod potpore

GNSS-a prilikom praćenja satelita i prikupljanja mjerenja. Popravljeno integrisano navigacijsko

6 Bilo da je riječ o labavoj ili čvrstoj integraciji7 Inherentan (lat. inhaerens)-prirodno i nerazdvojno, spojen ili udružen, bitan, svojstven, nerazdvojan (URL 4).

21

http://onlinerjecnik.com/rjecnik/strane-rijeci/inherentan


rješenje je tačnije, ali je sirovo rješenje u cijelosti nezavisno od GNSS-a (nakon inicijalizacije). U

čvrstim ili dubokim integracijskim arhitekturama, sat prijemnika se također može popraviti.

Potpora za prikupljanje (akvizaciju) mjerenja daje GNSS procesoru približne pozicije i brzine,

limitirajući broj ćelija koja se trebaju istraživati za akvizaciju signala. U onim oblastima gdje je

pozicija satelita kao i brzina određena, i gdje je sat prijemnika kalibriran, broj ćelija koji se istražuje

može biti jako mali. GNSS praćenje propusnosti ne predstavlja veza između dinamičke odgovornosti i

otpornosti na šum. Ukoliko je praćenje potpomognuto inercijalnim navigacijskim rješenjem, oni

moraju samo da prate šum sata prijemnika i greške u INS rješenju, a ne kompletnu dinamiku

korisnikove antene. To omogućava da se koriste uže širine frekvencijskog područja (propusnost),

poboljšavajući otpornost na šum i dozvoljavajući da praćenje bude sačuvan na nižem C/No8.

Kako god, loša strana uže širine frekvencijskog područja je duža greška korelacijskog vremena

na GNSS ulaznim mjerenjima. Sa avijacijskim INS-om, ovo ne predstavlja nikakav problem.

Međutim, sa taktičkim inercijalnim senzorima, reducirani Kalman filteri vode ka siromašnijim

inercijalnim kalibracijama i većim greškama navigacijskog rješenja. Jedna mogućnost je ATC

(Adaptive Tightly Coupled integration) integracija, gdje je praćenje širine frekvencijskog područja

promjenljivo u odnosu na izmjereno C/N0 i kovarijancu mjerenja šuma u integracijskom algoritmu.

ATC omogućuje GNSS kodu da bude praćen sa C/N0 oko 8 dB-Hz, što je niže od konvencionalnog

čvrstog povezanog sistema.

Brzina promjene pseudo-udaljenosti procjenjena iz inercijalnog navigacijskog rješenja data je

sa jednačinom:

(14)

gdje je δ˙ρrc procjena sata prijemnika dobivena iz integracije Kalman filtera u čvrsto povezanoj

integraciji i GNSS Kalman filtera u labavo povezanoj integraciji. v is , ji

je brzina satelita dobivena

navigacijskom porukom. uas , ji

je vektor vizurne linije ili linija dogledanja i Δ ρscj je popravka sata

satelita.

8 C/N0 je omjer signala i šuma (SNR) moduliranog signala (URL 5).

22

˙ρRj=uas , jiT ( v is , j

i ( t st , j )− v iai ( t sa ))+δ ˙ρ rc−Δ ρ scj

http://en.wikipedia.org/wiki/Carrier-to-noise_ratio


Brzina GNSS antene, data je sa jednačinom:

(15)

gdje je lbab

efekat kraka poluge9 od IMU-a do antene u odnosu na IMU body okvir. Ukoliko je praćeni

signal nosećeg vala izgubljen, mora se koristiti informacija iz INS sistema da kontorliše NCO

(Numerically Controlled Oscillator)10 kako bi održao signal koherentnim, pomoću korelatora

akumulacijskog intervala u prijemniku i GNSS procesoru. Za 20 ms akumulacijskog intervala, brzina

promjene pseudo-udaljenosti mora biti određena sa tačnošću oko 4 ms-1.

Inercijalno pomaganje se također može koristiti za održavanje sinhronizacije faznih i kodnih

frekvencija kroz kratke blokove signala, omogućavajući praćenje signal. Ključ je kompenzirati bilo

kakav gubitak u sinhronizaciji između gubitka signala i otkrivanja gubitka prilikom praćenja satelita.

Popravljeno inercijalno navigacijsko rješenje se također može koristiti kao GNSS potpora u

nadzoru integriteta i otkrivanju prekida u GNSS signalu. Cycle slips (prekidi u signalu) mogu biti

otkriveni, upoređivajući promjene koje se dešavaju u ADR-u (Accumulated Delta Range) sa INS

procjenama promjene brzine pseudo-udaljenosti (Groves, 2008, str. 371-373).

5.1.6. Deep (duboka) integracija

Duboka INS/GNSS integracija je kombinacija GNSS navigacije i praćenja signala. Slika 10

prikazuje integracijsku arhitekturu sa closed-loop INS popravkom. „Kod“ i NCO komande su

generisane korištenjem popravljenog inercijalnog navigacijskog rješenja, pozicije satelita i brzine od

navigacijske poruke, i različitih procjena GNSS grešaka. Izlazi akumuliranog korelator iz GNSS

prijemnika, Is i Qs, su direktni ulazi za integracijski algoritam, obično bazirani na Kalman filteru, gdje

je broj INS i GNSS greška određen. Popravljeno inercijalno navigacijsko rješenje formira integrisano

navigacijsko rješenje, kao i u drugim arhitekturama.

9 IMU i GNSS se ne mogu instalirati na istom mjestu, položaj i brzina IMU će se razlikovati od one GNSS-a.10 Numerički kontrolirani oscilator

23

v iai = v ib

i +Cbi (ωib

b ∧lbab )


U poređenju sa kombinacijom GNSS navigacije i praćenja signala, duboka INS/GNSS

integracija ima takvu prednost da samo greške u INS rješenju trebaju biti praćene. Duboka integracija

može također surađivati sa četiri ili manje GNSS satelita na ograničene vremenske periode.

U poređenju sa čvrsto povezanom integracijom, duboka integracija izbjegava težine sa I i Q

mjerenjima, kada je izlazni interval pseudo-udaljenosti ili brzine promjene pseudo-udaljenosti veći od

vremenske konstante, i potrebu da se reducira Kalman filtera i čak ukoliko nije reduciran. Ovo

omogućava dubokoj integraciji da radi na nižim C/No nivoima. Baš kako i ATC, algoritam duboke

integracije se može adaptirati za različite C/No nivoe mjenjajući težine mjerenja. Uklanjanjem kaskade

između filtera za praćenje signala i integracijskog filtera, duboka integracija nudi optimalnu

integracijsku arhitekturu.

Is i Qs moraju biti izlazi iz GNSS prijemnika, dok su komande NCO-a obično inputi. Veća

brzina podataka smanjuje kašnjenje signala, ali zahtjevaja da integracijski algoritam zna gdje se nalaze

navigacijski podaci tako da mogu izvesti tačno koherentno sumiranje Is i Qs. Potreba za

implementacijom novog i mnogo bržeg interface-a između GNSS korisničke opreme i integrisanog

algoritma je glavna mana duboke integracije i čini je teškom za izvesti.

24

Slika 12: Deep (duboka) INS/GNSS integracijska arhitektura (closed-loop INS popravke)

(Groves, 2008, str. 373)


Postoje dvije klase algoritma duboke integracije:

koherentna, i

nekoherentna.

Koherentna duboka integracija uzima Is i Qs kao direktna mjerenja iz Kalman filtera, dok

nekoherentna integracija koristi diskriminatorske funkcije. Koherentna diskriminacije je mnogo

tačnija, jer izbjegava diskriminatorske nelinearnosti i smanjiva kodno praćenje šuma koje je dobijeno

korištenjem koherentnog diskriminatora. Međutim, on je operativan samo ukoliko postoji dovoljan

signal za šum za fazna praćenja, tako da je nekoherentna duboka integracija više otpornija (robusnija).

Duboka koherentna integracija može nadmetnuti dosta visoka opterećenja prilikom obrade. Ovo se u

praksi nastoji reducirati tako što se particionira Kalman filter.

Pseudo-udaljenost, procjenjena iz inercijalnog navigacijskog rješenja, data je pomoću

jednačine:

(16)

gdje je δ ρrj rezidualno odstupanje udaljenosti procjenjeno Kalman filterom. δ ρrc je procjena pomaka

sata prijemnika dobiveno iz Kalman filtera. ris , ji

je pozicija satelita dobivena na osnovu navigacijske

poruke. Δρscj je popravka sata satelita; Δρ tcj je troposferska popravka, Δρ icj je jonosferska popravka.

Pozicija GNSS antene je data sa jednačinom:

(17)

Tamo gdje postoji značajno kašnjenje između ispravnosti inercijalnog navigacijskog rješenja,

koje generiraju NCO komande i aplikaciju ovih komandi u GNSS prijemnik, ono se može predvidjeti

koristeći procjene ubrzanja pseudo-udaljenosti. Kontrola kašnjenja može biti eliminisana koristeći

softverski prijemnik. Istraživanja su pokazala da nekoherentna duboka INS/GNSS integracija može

raditi sa kodnim mjerenjima na C/No nivou od 8 dB – Hz ili manje (Groves, 2008, str. 373-375).

5.2. Napredna INS/GNSS integracija

Ovaj odjeljak obuhvata nekoliko naprednih INS/GNSS integracija. U suštini govorimo o

integraciji INS sa diferencijalnim GNSS-om, faznim mjerenjima, i GNSS-om sa multiantenama, te

modeliranje značajnih grešaka i filtriranje (Groves, 2008, str. 399).

25

ρRj=|ris , ji ( t st , j )−r ia

i ( t sa)|+δ ρrc−Δρicj−Δρtcj−Δρscj+δ ρ rj

riai =rib

i +Cbi lba

b


5.2.1. Diferencijalni GNSS

Diferencijalni GNSS poboljšava tačnost određivanja pozicije kalibriranjem vremenskih i

prostorno koreliranih sistematskih grešaka u mjerenjima pseudo-udaljenosti, koja su nastala zbog

različitih utjecaja: grešaka broadcast efemerida, greška sata satelita, jonosferske refrakcije,

troposferske refrakcije, itd.

Arhitektura integracije DGNSS (Diferential Global Navigation Satelite System) sa INS-om je u

suštini ista kao i kad se koristi samo GNSS. Diferencijalne popravke se primjenjuju kod mjerenja

pseudo-udaljenosti. U labavo povezanoj integraciji, ove popravke GNSS navigacijskog položaja

dolaze u okviru GNSS korisničke opreme. Za čvrsto povezanu integraciju, mjerenja pseudo-

udaljenosti moraju biti popravljena primjenom GNSS procesora ili pak s integracijskim algoritmom.

Za duboku integracija, diferencijalne popravke mogu biti izvršene sa NCO kontrolnim algoritmom

(Groves, 2008, str. 399).

5.2.2. Pozicioniranje i orijentacija pomoću faznih GNSS mjerenja

Moguće je dobiti centimetarsku tačnost pozicioniranja u realnom vremenu kombiniranjem

GNSS i ADR mjerenja, kad su mjerenja izvršena opremom za geodetska precizna GNSS mjerenja na

geodetskoj stanici. Integracija sa INS-om, može pomoći kod rješavanja ambiguiteta11, te skratiti ovaj

proces na samo jedan minut. Također su informacije iz INS-a, korisne za otkrivanje i eliminiranje

cycle slip-ova (prekid u signalu).

Za određivanje GNSS orijentacije koriste se relativna fazna mjerenja između antena

postavljenih na istom vozilu. Računanje orijentacije pomoću GNSS-a je pod utjecajem šumova, tj.

slučajnih grešaka, ali ne postoji drift (antene međusobno ne mijenjaju položaj). Ovo čini da je GNSS

orjentacija veoma komplementarna s INS orjentacijom, kao i rješenje za problem kalibracije mjerenja

azimuta koji se pojavljuje za neke primjene integracije INS/GNSS-a. Kada se INS kombinuje sa

GNSS-om koji ima više antena (multiantene), može se dobiti bolja preciznost i orijentacija.

Također, inercijalno orijentacijsko rješenje može se koristiti za proces ubrzanja rješavanja

ambiguiteta. Sa kratkim baznim linijama, orijentacija dobivena s inercijalnim sistemom može u

potpunosti riješiti ambiguitete. Da bi se u potpunosti riješila orjentacija pomoću GNSS-a, potrebne su

tri ili više antena. Međutim, dvije antene su dovoljne za INS/GNSS integraciju. Labavo povezana

integracija GNSS faznog mjerenja i INS-a je ista kao integracija samog (stand-alone) ili

diferencijalnog GNSS-a.

11 Nepoznatog broja cijelih valnih dužina između antene prijemnika i predajnika

26


Čvrsto povezana integracija INS/GNSS može biti izvedena nezavisno od rješavanja

ambiguiteta tako što koristimo pseudo-udaljenosti dobivene na osnovu faznih mjerenja. Fazna

mjerenja za GNSS pozicioniranje može biti integrisano sa INS-om korištenjem standardnog čvrsto

povezanog INS/GNSS integracijskog algoritma sa umanjenim mjerenjima kovarijance šuma i

modeliranim odstupanjem udaljenosti. GNSS orijentacija je čvrsto integrisana procesiranjem posebno

kodnih i faznih mjerenja od svake antene u pojedinom Kalman filteru. Mjerenja mogu biti

diferencirana između različitih satelite12 kako bi se eliminisale greške sata prijemnika. Međutim,

diferenciranje mjerenja između antena postavljenih na vozilu eliminira informacije o poziciji i brzini,

ali ostavlja orijentaciju.

Labavo povezana integracija za GNSS mjerenja orijentacije sa INS-om može biti kombinirana

sa čvrstom povezanom integracijom GNSS mjerenja udaljenosti. Kako god, čvrsta integracija nije

kompaktibilna sa labavom povezanom integracijom zbog položaja i brzine sve dok pseudo-udaljenosti

nisu diferencirana kroz antene. Tačnost INS/GNSS orijentacije zavisi od kvaliteta inercijalnih senzora

i od razdvanja antena (Groves, 2008, str. 399-401).

5.2.3. Napredne greške IMU modeliranja

Niske kvalitetne IMU jedinice, praktično one koje se koriste kod MEMS senzora, mogu stvoriti

visoke nivoe šumova. Kako bi se optimizirao Kalman filter, bitno je da se podudaraju pretpostavljeni

šum senzora sa stvarnom vrijednošću. Nažalost, proizvođačeva specifikacija ne predstavlja ispravan

vodič za odstupanja u performansama šuma između individualnih senzora i kod odstupanja efektivnih

nivoa šuma sa vibracijama okoline. Jedno od riješenja jeste korištenje adaptivnog tj. prilagodljivog

Kalman filtera kako bi se izmjenio pretpostavljeni sistem šuma na osnovu inovativnih mjerenja. Sve

metode modeliranja IMU grešaka zahtjevaju veće kapacitete procesiranja (Groves, 2008, str. 401-403).

5.2.4. Filtriranje

Za mnoge aplikacije, kao što su mjerenja, georeferenciranje, testiranje brzine vozila i vojnih

dometa, navigacijska rješenja zahtjevaju analize nakon nekog događaja. U ovakvim slučajevima, INS

greške mogu biti kalibrirane korištenjem GNSS mjerenja koja se poduzimaju nakon i prije vremena

interesovanja. Da li filtriranje značajno utječe na performanse zavisi od aplikacije. Najveći uticaj ima

tamo, gdje je dostupnost GNSS signala veoma slaba (npr. u urbanim područjima) (Groves, 2008, str.

403).

12 Dvostruke razlike-double differencing

27


6. PRIMJENA INTEGRISANE NAVIGACIJE U GEODEZIJI

Treba naglasiti da se INS bez integracije s drugim geodetskim instrumentima ne primjenjuje u

geodeziji. Najčešća je integracija sa GNSS-om kao dodatna jedinica za područja gdje je GNSS signal

nedostupan (npr. u šumi, u gradovima, tunelima, itd.). Integracijom GNSS-a sa INS-om dobivamo

neprekidno informacije o poziciji bez obzira na vrijeme, mjesto i konfiguraciju terena. Također, ovom

integracijom se povećava tačnost i pouzdanost određivanja trenutne pozicije u svrhu navigacije, što je

od posebne važnosti u geodeziji.

Primjene INS/GNSS integracije u inženjerskoj praksi i svakodnevnom životu su:

navođenje strojeva – upotrebljavanje navigacijskog sistema za pozicioniranje i navođenje

rudarskih, terestričkih i poljoprivrednih strojeva;

snimanje zemljišta – uključuje većinom katastarsku izmjeru; sistem služi na područjima

pokrivenim gustom šumom gdje je izražen utjecaj multipath-a

snimanje saobraćajnica – uključuje kotrolu i kvalitet saobraćajene trake, središnje i rubno

snimanje saobraćajne trake pomoću vozila u pokretu; sistem je potreban za dijelove

saobraćajnice gdje je GNSS signal ometan zgradama ili vegetacijom;

navigacija automobila – omogućuje automatsko navođenje vozila na saobraćajnicama.

Primjene su moguće gotovo u svim područjima geodezije, od određivanja pomaka objekata,

fotogrametrije, daljinskih istraživanja, kontrole proboja tunela, podvodnog snimanja, sve do

gravimetrije.

6.1. Mobilno kartiranje

Za potrebe snimanja cesta i željeznica, INS se integrira sa GNSS-om, kao i u većini drugih

slučajeva. Često se tim komponentama dodaju i kamere, ovisno o namjeni prikupljanja podataka.

Kamerama dobijamo bogatije informacije o cestovnoj ili željezničkoj infrastrukturi. Uređaji se

postavljaju na automobile (slika 11), željeznička vozila (slika 12 i 13), avione ili helikoptere. Prednost

mobilnog kartiranja jeste mogućnost prikupljanja velikog broja detalja i informacija u transportnim

mrežama (ceste i željeznice). Također, važna karakteristika mobilnog kartiranja je brzo prikupljanje

podataka uz malu cijenu sa obzirom na tradicionalno prikupljanje podataka. GNSS i INS omogućuju

dobivanje tačne pozicije projekcijskog središta kamere. Na temelju dvije snimke, fotogrametrijskom

triangulacijom određuju se koordinate objekta sa mjerenih snimaka (URL 6).

28

http://www.applanix.com/application-examples/railway-corridor-mapping/123-rail-track-geometry.html#.UP3VfB1T8a8


29

Slika 13: Automobil sa uređajem za snimanje saobraćajnica (Angrisano, 2010, str. 133)

Slika 14: Dizajn sistema za snimanje željeznica (Kreye, i dr.)

Slika 15: Željezničko vozilo opremljeno sistemom za snimanje željeznica (URL 6)



6.2. Podvodno snimanje

Podvodna snimanje obuhvata snimanje dna mora i jezera. Osnovni instrumenti za podvodno

snimanje (određivanje dubine) su sonari i dubinomjeri. Sonari i dubinomjeri mogu biti postavljeni na

brod, na vozilo koje se sa broda spušta u more ili u autonomno vozilo. U sva tri slučaja potrebna je

precizna pozicija sonara i dubinomjera da bi mogli odrediti dubinu. Kada je sonar ili dubinomjer

instaliran na brod, za određivanje njegove pozicije se uglvanom koristi GNSS. Međutim, kada se

snimanje podmorja obavlja sa vozilom spuštenim u more, jedna od mogućnosti određivanja precizne

pozicije je INS (slika 14) (URL 7).

6.3. Zračna gravimetrija

Određivanje Zemaljinog oblika, jedne od najvažnijih zadaća geodezije, jeste problem povezan

sa modeliranjem Zemljinog polja ubrzanja sile teže (geoida). Određivanjem Zemljinog polja ubrzanja

sile teže dobiva se informacija o rasporedu masa unutar Zemlje. Gravitacijski signal mjerimo (ubrzanje

sile teže) gravimetrima.

Razvojem satelitskih tehnologija moguće je odrediti gravitacijsko polje pomoću satelitskih

opažanja odnosno satelitske altimetrije, gravimetrije i gradiometrije. Satelitskim opažanjima se mogu

30

Slika 16: INS za navigaciju podvodnog vozila (URL 7)

http://www.ixsea.com/en/subsea_positioning/



odrediti dugovalni signali, dok se kod srednjovalnih i kratkovalnih signala javlja problem u razvijanju

globalnih modela. Zato je zračna gravimetrija (slika 15) idealna za mjerenja srednjevalnih signala koji

se kasnije mogu modelirati. Da bi se INS sistem mogao primjeniti u zračnoj gravimetriji, važno je

odvajanje gravitacijskog ubrzanja od kinematičkog ubrzanja aviona i sistematskih grešaka.

Kinematičko ubrzanje može se odvojiti upotrebom dodatnog senzora, kao što je GPS. Alternativni

način određivanje kinematičke pozicije i brzine jeste primjena INS-a i gravitacijskih gradiometra.

Gradiometar je veoma skup, stoga ova kombinacija nije rentabilna. Kod kombinacije INS-a i GNSS-a

vrlo su važni algoritmi za obradu podataka i određivanje ambiguiteta i o njima ovisi tačnost

određivanja gravitacijskog polja (URL 8).

31

Slika 17: Princip zračne gravimetrije (URL 8)

http://lsa.isep.ipp.pt/~c.almeida/geomad/?paged=2



7. ZAKLJUČAK

Princip inercijalne navigacije poznat je već nekoliko stoljeća kao i instrumentarij, ali uprkos

tomu primjena u geodeziji nije bila moguća sve do prije 30-tak godina. Danas, primjenom modernih

tehnologija INS sistemi su vrlo zastupljeni u geodeziji. Ti sistemi mnoge probleme u geodeziji

pojednostavljuju ili rješavaju. U svijetu se neprestano razvijaju nove primjene INS sistema u geodeziji,

tako da možemo reći da INS sistemi još nisu doživjeli svoj vrhunac.

INS/GNSS sistem je dosta precizan, i precizniji je u odnosu na neki njegov subsistem zasebno.

Greške položaja u INS-u, koje se povećavaju sa vremenom operacija, su eliminirane i greške položaja

kod GNSS prijemnika su značajno reducirane. Tačnost INS/GNSS pozicioniranja u poređenju sa

tačnosti GNSS-a zavisi od karakteristika grešaka unutar GNSS-a. Prednosti i nedostaci INS-a i GNSS-

a su komplementarna, tako da integrirajući ih prednosti obe tehnologije se kombiniraju da daju

kontinuirano i kompletno navigacijsko rješenje sa visokom tačnošću. U integrisanom INS/GNSS

navigacijskom sistemu, GNSS mjerenja sprječavaju odstupanja inercijalnih rješenja, dok INS „gladi“

GNSS rješenje.

INS/GNSS integracija je pogodna za uspostavljene inercijalne navigacijske aplikacije kao što

su brodovi, avioni, i dalekometni projektili. Također, integracija sa GNSS-om čini inercijalnu

navigaciju praktičnom sa niskim cijenama inercijalnih senzora, čineći INS/GNSS pogodnim

navigacijskim rješenjem za lake avione, helikoptere, kratko i srednjodometna oružja sa navođenjem,

manje brodove, itd. INS/GNSS integracija je ponekad korištena za putna vozila i osobnu navigaciju.

Za procjenu INS/GNSS preformansi, razmatrane su tri integracijske arhitekture. Čvrsto

povezana arhitektura je u mogućnosti da osigura integrisano navigacijsko rješenje u slučaju kada je

broj vidljivih satelita nedovoljan za izvođenje GNSS pozicioniranja. Iz ovoga razloga, čvrsto povezana

arhitektura se ponajviše upotrebljava na područjim otežanim za satelitsko pozicioniranje kao što su

urbana područja. Dok labavo povezana i duboko povezana integracija, zahtjevaju signale sa četiri

različita satelita kako bi mogli osigurati GNSS rješenje

32


8. LITERATURA

Angrisano,A., (2010): GNSS/INS Integration Methods; doktorska disertacija, Univerzitet u

Napoli-u.

Schultz, E. C., (2006): INS and GPS integration; magistarska disertacija, Tehnički Univerzitet

Danske

Groves, D. P., (2008): Principles of GNSS, Inertial, and Multisensor Integrated Navigation

Systems; knjiga, Boston.

Khare, R., (2007): Robotics; Infinity Science Press, Hingham.

Kreye, C., Eissfeller, B., Ameres, G.,: Architectures of GNSS/INS Integrations; University

FAF Munich

Freitas, R. S., Lima, S.R., (2006): Research on Inertial Surveying System

Instrumentation for Geodetic Applications in Brazil; Univerzitet u Hanoveru

Popis URL-ova:

[URL 1]: Osnovni princip GNSS pozicioniranja. Preuzeto: 20.01.2013.


[URL 2]: Newton-ovi zakoni. Preuzeto: 20.01. 2013.


[URL 3]: MEMS sistemi. Preuzeto: 30.01. 2013.


[URL 4]: Pojam inherentan. Preuzeto: 30.01. 2013.


[URL 5]: Omjer signala i šuma. Preuzeto: 30.01. 2013.


[URL 6]: Željezničko vozilo opremljeno sistemom za izmjeru željeznica. Preuzeto: 30.01.2013.

http://www.applanix.com/application-examples/railway-corridor-mapping/123-rail-

track-geometry.html#.UP3VfB1T8a8

[URL 7]: Podvodna izmjera. Preuzeto: 30.01. 2013.


[URL 8]: Princip zračne gravimetrije. Preuzeto: 30.01. 2013.


33










Documents

Integracija INS i GNSS_Amel_Zilic