حلول شائعة للملاحة المتكاملة بين نظام الملاحة العالمي عبر الأقمار الصناعية ونظام الملاحة بالقصور الذاتي في حالة فقدان إشارة الأقمار الصناعية

النقاط الرئيسية

• المنتج: حلول الملاحة المتكاملة GNSS/INS

  الميزات الرئيسية:

  • المكونات: يتضمن النظام المتكامل جهاز استقبال GNSS ووحدة قياس القصور الذاتي (IMU) وأجهزة استشعار اختيارية مثل LiDAR أو عدادات المسافة.
  • الوظيفة: الحفاظ على الدقة والاستقرار أثناء فقدان إشارة نظام الملاحة العالمي عبر الأقمار الصناعية باستخدام أجهزة استشعار إضافية أو قيود حالة الحركة مثل ZUPT.
  • التطبيقات: مثالية للملاحة الحضرية، والتعدين، وتسجيل النفط، وغيرها من البيئات التي قد تعاني من عوائق في الإشارة.
  • الملاحة بالقصور الذاتي: تستخدم الجيروسكوبات ومقاييس التسارع لقياس الموقع والسرعة والتسارع.

  الخلاصة: تصميم النظام المتكامل يتطور باستمرار، مع حلول تعزز المتانة في البيئات الصعبة مع تحقيق التوازن بين التكلفة والتعقيد.

في نظام الملاحة المتكامل GNSS/INS، تلعب قياسات GNSS دورًا حاسمًا في تصحيح نظام الملاحة بالقصور الذاتي (INS). لذا، يعتمد الأداء السليم للنظام المتكامل على استمرارية واستقرار إشارات الأقمار الصناعية. مع ذلك، عندما يعمل النظام تحت الجسور أو تحت ظلال الأشجار أو داخل المباني الحضرية، قد تتعرض إشارات الأقمار الصناعية للتشويش أو التداخل، مما قد يؤدي إلى فقدان إشارة جهاز استقبال GNSS. تتناول هذه المقالة حلولًا للحفاظ على دقة واستقرار أنظمة الملاحة المتكاملة GNSS/INS عند فقدان إشارات الأقمار الصناعية.

عندما تنقطع إشارة القمر الصناعي لفترة طويلة، يؤدي نقص تصحيحات نظام الملاحة العالمي عبر الأقمار الصناعية (GNSS) إلى تراكم أخطاء نظام الملاحة بالقصور الذاتي (INS) بسرعة، لا سيما في الأنظمة ذات وحدات القياس بالقصور الذاتي منخفضة الدقة. وتؤدي هذه المشكلة إلى انخفاض دقة واستقرار واستمرارية عمل النظام المتكامل. لذا، من الضروري معالجة هذه المشكلة لتعزيز متانة النظام المتكامل في مثل هذه البيئات المعقدة.

1. حلان رئيسيان لمعالجة فقدان الإشارة في أنظمة الملاحة عبر الأقمار الصناعية/أنظمة الملاحة بالقصور الذاتي

يوجد حاليًا حلان رئيسيان لمعالجة سيناريو فقدان إشارة الأقمار الصناعية.

الحل الأول: دمج أجهزة استشعار إضافية

من جهة، يمكن دمج أجهزة استشعار إضافية في نظام الملاحة العالمي عبر الأقمار الصناعية/نظام الملاحة بالقصور الذاتي الحالي، مثل عدادات المسافة، وتقنية الليدار، وأجهزة الاستشعار الفلكية، وأجهزة الاستشعار البصرية. وبالتالي، عندما يؤدي فقدان إشارة القمر الصناعي إلى تعطل نظام الملاحة العالمي عبر الأقمار الصناعية، يمكن لأجهزة الاستشعار المضافة حديثًا توفير معلومات القياس وتشكيل نظام متكامل جديد مع نظام الملاحة بالقصور الذاتي للحد من تراكم أخطاء هذا النظام. وتشمل المشكلات المتعلقة بهذا النهج زيادة تكاليف النظام نتيجة لأجهزة الاستشعار الإضافية، واحتمالية تعقيد التصميم إذا تطلبت أجهزة الاستشعار الجديدة نماذج ترشيح معقدة.

الشكل 1: نظرة عامة على نظام الملاحة المتكامل GNSS IMU ODO LiDAR SLAM.

الحل الثاني: تقنية زوبت

من جهة أخرى، يمكن إنشاء نموذج تحديد المواقع مع قيود حالة الحركة بناءً على خصائص حركة المركبة. لا تتطلب هذه الطريقة إضافة مستشعرات جديدة إلى النظام المتكامل الحالي، مما يوفر تكاليف إضافية. عند عدم توفر نظام تحديد المواقع العالمي عبر الأقمار الصناعية (GNSS)، تُوفّر قيود حالة الحركة معلومات القياس الجديدة للحد من تباعد نظام الملاحة بالقصور الذاتي (INS). على سبيل المثال، عندما تكون المركبة ثابتة، يمكن تطبيق تقنية تحديث السرعة الصفرية (ZUPT) للحد من تراكم أخطاء نظام الملاحة بالقصور الذاتي.

تُعدّ تقنية ZUPT طريقةً منخفضة التكلفة وشائعة الاستخدام للحدّ من تباعد نظام الملاحة بالقصور الذاتي (INS). نظريًا، عندما تكون المركبة ثابتة، يجب أن تكون سرعتها صفرًا. مع ذلك، ونظرًا لتراكم أخطاء نظام الملاحة بالقصور الذاتي بمرور الوقت، فإن سرعة الخرج لا تكون صفرًا، لذا يمكن استخدامها كمقياس لخطأ السرعة. وبالتالي، استنادًا إلى شرط أن تكون سرعة المركبة صفرًا، يمكن وضع معادلة قياس مناسبة، توفر معلومات قياس للنظام المتكامل وتُقلّل من تراكم أخطاء نظام الملاحة بالقصور الذاتي.

الشكل 2: مخطط انسيابي لخوارزمية GNSSIMU القائمة على ZUPT والمرتبطة بإحكام مع CERAV.

مع ذلك، يتطلب تطبيق تقنية تحديث السرعة الصفرية (ZUPT) ثبات المركبة، مما يجعلها تقنية ثابتة لا توفر معلومات القياس أثناء المناورات العادية. عمليًا، يتطلب هذا توقف المركبة بشكل متكرر من حالة الحركة، مما يقلل من قدرتها على المناورة. إضافةً إلى ذلك، تتطلب تقنية ZUPT رصدًا دقيقًا للحظات ثبات المركبة. في حال فشل الرصد، قد تُقدَّم معلومات قياس غير صحيحة، مما قد يؤدي إلى فشل هذه الطريقة، بل وحتى إلى انخفاض دقة النظام المتكامل أو انحرافها.

خاتمة

قد يؤدي فقدان إشارات الأقمار الصناعية إلى تراكم سريع للأخطاء في نظام الملاحة بالقصور الذاتي (INS)، لا سيما في البيئات المعقدة كالمناطق الحضرية. يُطرح هنا حلان رئيسيان: إضافة مستشعرات إضافية، مثل مستشعرات LiDAR أو المستشعرات البصرية، لتوفير قياسات بديلة، أو استخدام قيود حالة الحركة، مثل تقنية تحديث السرعة الصفرية (ZUPT)، لتصحيح أخطاء نظام الملاحة بالقصور الذاتي. لكل نهج مزاياه وتحدياته، فدمج المستشعرات يزيد التكاليف والتعقيد، بينما تتطلب تقنية ZUPT أن تكون المركبة ثابتة وأن يتم رصدها بدقة لتكون فعالة.

تتبوأ شركة مايكرو ماجيك مكانة رائدة في مجال تكنولوجيا الملاحة بالقصور الذاتي، وقد طرحت مؤخرًا ثلاثة منتجات من أنظمة الملاحة بالقصور الذاتي بتقنية MEMS مدعومة بنظام GNSS، بمستويات دقة متفاوتة (المستوى الصناعي، والمستوى التكتيكي، ومستوى الملاحة). ومن الجدير بالذكر أن نظام الملاحة بالقصور الذاتي MEMS GNSS/INS I3500 من المستوى الصناعي يتميز بعدم استقرار انحياز يبلغ 2.5 درجة/ساعة، وانحراف عشوائي زاوي يبلغ 0.028 درجة/√ساعة، بالإضافة إلى مقياس تسارع MEMS عالي الدقة ذي نطاق واسع (±6g، مع انعدام عدم استقرار الانحياز). <30 ميكروغرام).