ما هو MEMS INS بمساعدة GNSS وكيف يعمل؟

النقاط الرئيسية

• • المنتج: I3500 MEMS-Aided GNSS INS

    الميزات الرئيسية:

    • المكونات: MEMS IMU فعالة من حيث التكلفة، ووحدة تحديد المواقع عبر الأقمار الصناعية ذات الهوائي المزدوج، وأجهزة قياس المغناطيسية، ومقياس الضغط الجوي.
    • الوظيفة: توفر بيانات ملاحية عالية الدقة، وتحافظ على الأداء أثناء انقطاع GNSS.
    • التطبيقات: مناسبة للطائرات بدون طيار والملاحة المستقلة والمسح وتحليل الحركة.
    • التنقل بالقصور الذاتي: يجمع بين قياسات القصور الذاتي للموقع والسرعة وحساب الموقف.

    الاستنتاج: يجسد I3500 التكامل بين MEMS INS و GNSS، مما يعزز موثوقية الملاحة ودقتها عبر مختلف القطاعات.

     

يشير نظام الملاحة المتكامل MINS/GNSS إلى دمج المعلومات من كل من MINS (MEMS INS) وGNSS (النظام العالمي للملاحة عبر الأقمار الصناعية). يجمع هذا التكامل بين نقاط القوة في كلا النظامين ليكمل كل منهما الآخر ويحقق نتائج PVA دقيقة (الموقع والسرعة والموقف).

تصنيف أنظمة الملاحة بالقصور الذاتي MEMS

بعد أكثر من 30 عامًا من التطوير، تطورت تقنية القصور الذاتي MEMS بسرعة وشهدت تطبيقًا واسع النطاق. ظهرت العديد من أجهزة القصور الذاتي MEMS العملية وMEMS INS، ووجدت استخدامًا واسع النطاق في مجالات مثل صناعات الطيران والبحرية والسيارات. إن جيروسكوبات MEMS التكتيكية (مع ثبات انحياز يتراوح من 0.1°/ساعة إلى 10°/ساعة، 1σ) ومقاييس تسارع MEMS عالية الدقة (مع ثبات انحياز يتراوح بين 10⁻⁵g إلى 10⁻⁶g، 1σ) قد ساهمت في دخول المجال التكتيكي- تصنيف MEMS INS في مرحلة تطبيق النموذج.

بشكل عام، يمكن تصنيف أنظمة MEMS بالقصور الذاتي إلى ثلاثة مستويات: مجموعة أجهزة الاستشعار بالقصور الذاتي (ISA)، ووحدة القياس بالقصور الذاتي (IMU)، ونظام الملاحة بالقصور الذاتي (INS)، كما هو موضح في الشكل 1.

الشكل 1: ثلاثة مستويات من Mems Ins (2)

• MEMS ISA: يتألف فقط من ثلاثة جيروسكوبات MEMS وثلاثة مقاييس تسارع MEMS، وهو يفتقر إلى القدرة على العمل بشكل مستقل.
• MEMS IMU: يعتمد على MEMS ISA عن طريق إضافة محولات A/D ورقاقات معالجة رياضية وبرامج محددة، مما يمكنه من جمع ومعالجة المعلومات بالقصور الذاتي بشكل مستقل.
• MEMS INS: يتوسع بشكل أكبر في MEMS IMU من خلال دمج تحويل الإحداثيات، وعمليات التصفية، والوحدات المساعدة، والتي تشمل عادةً مقاييس المغناطيسية ولوحات استقبال GNSS. تعتبر المستشعرات المساعدة مثل أجهزة قياس المغناطيسية ذات أهمية خاصة في مساعدة محاذاة MEMS INS وتحسين الأداء.

تعد نماذج MEMS INS الثلاثة التي تم إطلاقها حديثًا (نظام الملاحة بالقصور الذاتي للنظام الميكانيكي Micro-Magic Inc) من شركة Ericco، والموضحة في الصورة أدناه، مناسبة للتطبيقات في الطائرات بدون طيار، ومسجلات الطيران، والمركبات الذكية بدون طيار، وتحديد المواقع على الطريق والتوجيه، واكتشاف القنوات، المركبات السطحية غير المأهولة، والمركبات تحت الماء.

الشكل 2: نماذج Mems Ins الثلاثة التي تم إطلاقها حديثًا من شركة Ericco

كيف تعمل MEMS INS بمساعدة GNSS

يوفر نظام GNSS للمستخدمين معلومات مطلقة عالية الدقة عن الموقع والوقت في جميع الأحوال الجوية، بينما توفر أنظمة الملاحة بالقصور الذاتي (INS) دقة عالية على المدى القصير واستقلالية قوية. تعمل خصائصها التكميلية على تعزيز الأداء العام: يمكن لنظام INS الاستفادة من دقته العالية على المدى القصير لتزويد GNSS بمعلومات ملاحية أكثر استمرارية وكاملة، في حين يمكن أن يساعد GNSS في تقدير معلمات خطأ INS مثل التحيز، وبالتالي الحصول على ملاحظات أكثر دقة وتقليل انحراف INS.

الشكل 3: ثلاثة مستويات من Mems Ins

على وجه التحديد، تستخدم GNSS إشارات من الأقمار الصناعية التي تدور حولها لحساب الموقع والوقت والسرعة. وطالما أن الهوائي لديه اتصال في خط البصر بأربعة أقمار صناعية على الأقل، فإن الملاحة عبر نظام GNSS تحقق دقة ممتازة. عندما يتم إعاقة رؤية الأقمار الصناعية بسبب عوائق مثل الأشجار أو المباني، تصبح الملاحة غير موثوقة أو مستحيلة.

يقوم INS بحساب تغيرات الموضع النسبي مع مرور الوقت باستخدام معلومات المعدل الزاوي والتسارع من وحدة قياس القصور الذاتي (IMU). تتألف وحدة IMU من ستة أجهزة استشعار تكميلية مرتبة على ثلاثة محاور متعامدة. يحتوي كل محور على مقياس تسارع وجيروسكوب. تقيس مقاييس التسارع التسارع الخطي، بينما تقيس الجيروسكوبات معدل الدوران. باستخدام هذه المستشعرات، يمكن لوحدة IMU قياس حركتها النسبية بدقة في الفضاء ثلاثي الأبعاد.

يستخدم INS هذه القياسات لحساب الموقع والسرعة. ميزة أخرى لقياسات IMU هي أنها توفر حلولاً زاوية حول المحاور الثلاثة. يقوم INS بتحويل هذه الحلول الزاوية إلى مواقف محلية (التدحرج، والميل، والانعراج)، مما يوفر هذه البيانات جنبًا إلى جنب مع الموقع والسرعة.

الشكل 4: نظام إحداثيات الجسم لوحدة القياس بالقصور الذاتي

تعد تقنية الحركة الحركية في الوقت الحقيقي (RTK) خوارزمية ناضجة عالية الدقة لتحديد المواقع لنظام GNSS، قادرة على تحقيق دقة على مستوى السنتيمتر في البيئات المفتوحة. ومع ذلك، في البيئات الحضرية المعقدة، تؤدي عوائق الإشارة وتداخلاتها إلى تقليل معدل تثبيت الغموض، مما يؤدي إلى انخفاض القدرة على تحديد المواقع. لذلك، يعد البحث عن أنظمة تحديد المواقع المتكاملة GNSS RTK وINS أمرًا بالغ الأهمية في مجالات مثل الملاحة المستقلة والمسح ورسم الخرائط وتحليل الحركة.

I3500 الذي أطلقته شركة Micro-Magic Inc حديثًا هو عبارة عن نظام MEMS INS مدعوم من GNSS فعال من حيث التكلفة مع وحدة MEMS IMU الموثوقة للغاية ووحدة تحديد المواقع ذات النطاق الكامل للنظام الكامل والهوائي المزدوج ووحدة الأقمار الصناعية الاتجاهية. كما أنه يدمج أيضًا مقاييس المغناطيسية والبارومتر، والذي يمكنه حساب حجم زاوية الموقف ومساعدة الطائرة بدون طيار على التنقل إلى الارتفاع المطلوب.

خاتمة

يؤدي دمج أنظمة الملاحة بالقصور الذاتي MEMS (INS) مع تقنية GNSS إلى تعزيز دقة الملاحة بشكل كبير من خلال الجمع بين نقاط قوتها. إن نظام MEMS INS، مع تقدمه السريع، يستخدم الآن على نطاق واسع في صناعات الطيران والبحرية والسيارات. يوفر نظام GNSS تحديد المواقع بدقة، بينما يضمن نظام MEMS INS التنقل المستمر، حتى أثناء انقطاع نظام GNSS.

يمثل I3500 من شركة Micro-Magic Inc هذا التكامل، حيث يقدم بيانات ملاحية عالية الدقة، مثالية للملاحة المستقلة والمسح وتحليل الحركة.

باختصار، يُحدث تكامل GNSS وMEMS INS ثورة في الملاحة من خلال تحسين الدقة والموثوقية وتعدد الاستخدامات عبر التطبيقات المختلفة.