Гироскопы в прецизионных навигационных системах: какую технологию выбрать

Введение

В последние несколько лет в области разработки навигационных систем наблюдается рост популярности МЭМС-гироскопов благодаря их меньшей погрешности измерения, высокой стабильности характеристик при изменении условий окружающей среды, более широкой полосе, низкой чувствительности к линейному ускорению (g‑чувствительности) и встроенным вычислительным функциям, с помощью которых можно реализовать алгоритмы обобщения данных и моделирования ошибок датчиков.

Сегодня все больше расширяется сфера применения прецизионных точных инерциальных навигационных систем (ИНС), при этом МЭМС-устройства также успешно захватывают рынки, на которых ранее доминировали ВОГ. В области систем стабилизации антенных решеток переход от технологии ВОГ к технологии МЭМС становится наиболее очевидным.

Применение МЭМС-гироскопов в системах управления машинами и механизмами также может дать ряд преимуществ. Традиционно пользователи предпочитали навигационные системы на основе ВОГ или КЛГ стоимостью более $30 000, поскольку данные решения были в 20 раз точнее и надежнее, чем стандартные навигационные системы на основе МЭМС-гироскопов стоимостью $1000. Системы точного земледелия, а также различные системы наземного и воздушного беспилотного транспорта — две показательные области, где применение навигационных систем на основе недорогих МЭМС-гироскопов даст значительные преимущества.

Навигационное оборудование, работающее в режиме реального времени

Система навигации, описываемая в данном материале, была разработана с целью получения данных о пространственном положении с высокой скоростью, передающихся в электропривод, который в свою очередь стабилизировал установленную на крыше транспортного средства антенную решетку. Задачей антенной решетки являлось поддержание связи с геостационарным спутником.

Эта навигационная система использовалась в качестве бесплатформенного навигатора на основе ИНС/GNSS, обеспечивающего быструю передачу информации о положении и скорости. Сведения, полученные от инерциального измерительного модуля, поступали в навигационный фильтр с частотой 1000 Гц, и эти пакеты данных предназначались для прогнозирования местоположения, скорости и пространственной ориентации. Данные от приемника GNSS о координатах, скорости и направлении, полученные от сдвоенных антенн, использовались в качестве обновляемых значений для навигационного фильтра. Когда данные от приемника GNSS не были доступны, для определения курса (направления движения) применялся магнитометр, а для определения высоты — барометр.

Параллельно с работой навигационного фильтра выполнялись специальные процедуры калибровки. С помощью этих процедур осуществлялась калибровка магнитометра, калибровка смещения положения сдвоенной антенны, калибровка смещения положения инерциального измерительного модуля и калибровка уровня вибрации транспортного средства с целью определения статического периода.

Система была создана для работы с двумя вариантами аппаратной реализации. Первая реализация состояла из двух ВОГ (для определения тангажа и курса), одного МЭМС-гироскопа (для определения крена), трехосевого МЭМС-акселерометра, трехосевого МЭМС-магнитометра и МЭМС-барометра, при этом общая стоимость сенсорного оборудования составила примерно $8000.

Вторая реализация содержала три МЭМС-гироскопа (для определения всех углов пространственной ориентации), а также трехосевой МЭМС-акселерометр, трехосевой МЭМС-магнитометр и МЭМС-барометр, предусмотренные и в предыдущей реализации, при этом общая стоимость оборудования составила около $1000. Цены на эти системы могут колебаться в зависимости от рыночных условий и объемов закупок, но, как правило, системы на основе ВОГ в 8–10 раз дороже, чем системы на основе МЭМС.

МЭМС-гироскопы и МЭМС-акселеро-метры, используемые в данной системе, отличаются очень высокой стабильностью смещения, ортогональностью, низкой чувствительностью к линейному ускорению и широкой полосой пропускания в рамках своего ценового сегмента. Основное ограничение этой системы — требование к обеспечению широкой полосы пропускания. Многие МЭМС-акселерометры имеют широкую полосу пропускания, но у МЭМС-гироскопов, как правило, полоса пропускания составляет 100 Гц или меньше. Такие показатели оптимальны для применения в стандартном автомобильном навигационном оборудовании, но оборудование, для которого была разработана эта система, должно управлять антенной решеткой с высокой скоростью. Кроме того, некоторые МЭМС-гироскопы обеспечивают хорошую стабильность смещения, но имеют узкую полосу пропускания или высокий уровень шума. МЭМС-гироскопы, используемые в этой системе, имеют сбалансированное соотношение между шириной полосы пропускания и рабочими характеристиками. Фактические характеристики выбранного МЭМС-устройства представлены в таблице 1.

Скорость распространения инерциальных МЭМС-устройств неуклонно растет. В результате в развитие данной технологии были вложены значительные средства.

В основе МЭМС-гироскопов, используемых в такой системе, лежит многоядерная архитектура, которая обеспечивает оптимизированный баланс между стабильностью, шумовыми характеристиками, линейностью и чувствительностью к линейному ускорению. Эта архитектура сочетает полностью дифференциальные счетверенные резонаторы со встроенной высококачественной схемой согласования сигналов, в результате чего требуемый диапазон отклика резонатора лежит в характеризующейся высокой линейностью области, при этом также обеспечивается высокая степень подавления вибраций.

В многоосевых инерциальных измерительных модулях (рис. 1) со встроенными МЭМС-гироскопами и МЭМС-акселеро-метрами потенциально доминирующим источником ошибок становится ортогональность датчиков по осям X, Y, Z. Обычно этот параметр обозначается либо как чувствительность по поперечной оси, либо как угловое отклонение. Довольно часто в технической документации на различные МЭМС-компоненты можно увидеть значение чувствительности по поперечной оси, равное ±2%. Инерциальный измерительный модуль, используемый в этой системе, имеет чувствительность по поперечной оси, равную 0,087% (ортогональность 0,05°). Что еще более важно, эта характеристика остается постоянной при изменении температуры благодаря специальной калибровке устройства, выполняемой на фабрике. Для заданной скорости вращения, например по оси рыскания, скорость по ортогональным осям должна определяться как произведение чувствительности по поперечной оси на скорость по оси рыcкания, даже когда отсутствует вращение по осям крена и тангажа. При погрешности по поперечной оси, равной 2%, как правило, суммарный внеосевой шум на порядок превышает собственный шум гироскопа, но чувствительность инерциального измерительного модуля, составляющая 0,087%, в данном случае оптимально сбалансирована с собственным уровнем шума гироскопа.

Рис. 1. Блок-схема инерциального измерительного модуля (ADIS16485)

В многоосевых устройствах не менее важны такие параметры, как доступная полоса пропускания и связанная с ней возможность согласования фаз по осям. Некоторые гироскопы имеют ограниченную полосу пропускания, обусловленную необходимостью подавления суммарного шума, в то время как другие имеют ограниченную полосу пропускания (обычно ниже 100 Гц) из-за встроенных схем обработки сигналов, используемых в контуре обратной связи. Это может привести к появлению дополнительных фазовых ошибок, возникающих в тракте прохождения сигнала, особенно в фильтре Калмана. Используемый в данном случае инерциальный измерительный модуль, имеющий полосу пропускания 330 Гц и настраиваемую систему фильтрации, позволяет минимизировать влияние источников ошибок и оптимизировать системные ошибки с помощью встроенных функций фильтрации даже в полевых условиях.

Основные датчики, предусмотренные в таком инерциальном измерительном модуле, характеризуются высоким качеством подавления сигналов вибрации и высокой линейностью, что делает их не только подходящими для применения в высокодинамичных системах, но и высоконадежными и предсказуемыми при работе в экстремальных условиях окружающей среды.

ВОГ, используемые в данной системе, были выбраны на основе сочетания цены, рабочих характеристик и размеров. Полоса пропускания, стабильность смещения и уровень шума этих ВОГ стали определяющими факторами при окончательном выборе датчиков. Их основные характеристики приведены в таблице 2. У ВОГ по сравнению с МЭМС-гироскопом меньшая нестабильность смещения и меньшая величина случайного блуждания угловой скорости.

Программное обеспечение для навигации в реальном времени обрабатывало данные системы с частотой 1000 Гц и функционировало на основе классического механизма бесплатформенной инерциальной навигационной системы (БИНС) с обновлениями значений измерений. Обновленные значения измерений поступали от различных источников, и к этим обновляемым параметрам относятся:

• данные о положении и скорости, получаемые от приемника GNSS;
• обновленные данные о направлении движения, получаемые от сдвоенной антенны;
• обновленные данные о направлении движения, получаемые от магнетометра;
• обновленные данные о высоте, получаемые от барометра;
• дополнительные обновленные данные о скорости, получаемые от системы диагностики автомобиля OBDII.

Каждое обновленное значение использовалось для коррекции отклонения траектории решения на основе ИНС, но передача самих обновляемых значений могла прерываться, или они могли быть неточными.

Обновленные данные о направлении от сдвоенной антенны характеризуются высокой точностью, но подвержены влиянию многолучевого распространения. Таким образом, обновленные данные о направлении от сдвоенной антенны могут быть надежными только при работе системы на открытом пространстве. То же самое справедливо и для данных о положении и скорости, получаемых от приемника GNSS, использующего систему дифференциальной коррекции.

Данные о направлении, поступающие от магнитометра, могут быть неточными из-за больших углов наклона, возникающих из-за плохой вертикальной наблюдаемости во время калибровки. Точность магнито-метров также может ухудшаться при работе вблизи других металлических объектов — например, при движении рядом с другими транспортными средствами. Таким образом, магнитометр использовался для того, чтобы предоставлять данные системе в те моменты, когда данные от приемника GNSS были недоступны, или для того, чтобы уменьшить отклонение от действительной траектории во время очень длительных периодов простоя приемника GNSS (например, в течение 20 мин).

Для определения высоты в случаях, когда данные от приемника GNSS были недоступны или неточны, использовался барометр. Чтобы не допустить отклонения по скорости при отсутствии обновленных данных от GNSS, особенно при прямом движении вперед, использовались обновленные значения скорости, которые также повысили точность определения положения данного решения, что в свою очередь позволило отметать неточные обновленные данные о местоположении от приемника GNSS. Это навигационное программное обеспечение было создано для обеспечения точных результатов в любых условиях работы приемника GNSS.

Испытания навигационной системы

Для сравнения обеих реализаций навигационной системы были разработаны три метода испытаний на уровне системы:

• Испытание на открытом пространстве с хорошим сигналом GNSS для оценки точности данных по осям крена и тангажа, а также данных о курсе.
• Испытание, при котором возможно многолучевое распространение сигналов GNSS, например в условиях плотной застройки в центре города, где приемник GNSS может выдавать неточные данные из-за высоких зданий. Цель этого испытания — сравнение отфильтрованных данных о положении, которые также предоставят информацию о погрешностях измерения углового пространственного положения и скорости.
• Испытание работы только ИНС для оценки дрейфа этой системы при определении положения, что также даст информацию о скорости и угловом пространственном положении.

Результаты испытания на открытом пространстве

При условии доступности данных GPS и прямой видимости системой нескольких спутников результаты позиционирования и измерения скорости были сопоставимы между обеими системами. Параметры углового пространственного положения — крен, тангаж и курс — были основными параметрами для анализа качества функционирования навигационной системы, поскольку они в значительной степени определяются рабочими характеристиками гироскопа (табл. 3).

Ухудшение результатов определения местоположения от GNSS

Следующее испытание было предназначено для сравнения качества работы двух систем при многолучевом распространении сигналов GNSS. Автомобиль перемещался по центру Калгари, где было несколько очень узких переулков, при этом автомобиль двигался медленно в потоке машин и в окружении высоких зданий.

Теперь к основным параметрам для анализа качества работы навигационной системы относятся и результаты определения местоположения, поскольку гироскопы могут существенно корректировать данные о местоположении при отсутствии качественных данных от приемника GNSS. Результаты испытания показывают, что две системы выдают более-менее одинаковые показания, хотя система на основе ВОГ была примерно на 20–30% точнее.

На рис. 2 показана траектория движения системы только с использованием данных от GPS. На работу высокоточного приемника GPS, применяемого в рамках этого испытания, влияли многочисленные отраженные сигналы при движении в плотной городской застройке в центре города. Решение на основе GPS имело погрешность определения местоположения до 100 м.

Рис. 2. Результаты определения местоположения, предоставляемые решением на основе GPS с многолучевым распространением

Траектория движения решения с интегрированным ВОГ, показанная красным цветом (рис. 3), четко отображает путь, пройденный автомобилем в центре города, с точностью до 10 м или выше.

Рис. 3. Траектория движения решения на основе ВОГ и GPS (красным цветом показана траектория с работающими ВОГ и приемником GPS, синим цветом — только с работающим приемником GPS)

Точность позиционирования решения на основе МЭМС-компонентов с траекторией, показанной на рис. 4 зеленым цветом, всегда находится в пределах 15 м. Формирование результатов измерений этого решения было более «затянутым» из-за неточных обновленных данных о местоположении от GNSS вследствие меньшей значимости прогнозных значений, поступающих от ИНС.

Рис. 4. Траектория движения решения на основе МЭМС и GPS (зеленым цветом показана траектория с работающими МЭМС и приемником GPS, синим цветом — только с работающим приемником GPS)

Чтобы помочь решению на основе МЭМС в работе с неточными обновляемыми данными от приемника GPS, были использованы дополнительные датчики. На рис. 5 показана траектория с применением дополнительных данных от диагностической системы автомобиля OBDII, которая позволяет определять скорость автомобиля.

Рис. 5. Траектория движения решения на основе МЭМС, GPS и OBDII (зеленым цветом показана траектория с работающими МЭМС, приемником GPS и системой OBDII, синим цветом — только с работающим приемником GPS)

Точность решения на основе МЭМС всегда находится в пределах 10 м и может быть даже немного выше точности системы на основе ВОГ без использования OBDII, как показано в увеличенном масштабе на рис. 6.

Рис. 6. Траектория системы на основе МЭМС с OBDII (показана зеленым цветом), траектория системы на основе ВОГ без OBDII (показана красным цветом) и траектория системы только с работающим приемником GPS (показана синим цветом)

Результаты, предоставляемые решением только с работающей ИНС: пример и контрольные показатели

Последнее испытание — сравнение качества действия двух решений только с работающими ИНС. При этом также использовались обновляемые данные от приемника GNSS при работе на открытом пространстве. Во время испытания антенна, принимающая данные от спутников, была отключена в обоих случаях на 4,5 мин, в результате были получены смещенные траектории движения, по которым можно судить о качестве работы навигационной системы. Пройденное расстояние за это время составило примерно 5500 м.

На рис. 7 показана вся траектория. Глядя на прямую синюю линию, можно понять, когда был отключен приемник GPS (в правом нижнем углу) и когда он был снова включен (в левом верхнем углу).

Рис. 7. Траектория при работе одной лишь ИНС

Как видно на рис. 8, в этот период с отключенным приемником GNSS система на основе ВОГ работала очень хорошо и максимальное отклонение траектории составило 7 м. Типичное отклонение системы на основе ВОГ после 5 мин работы составило 25 м, поэтому конкретный «уход» от действительного местоположения был немного лучше, чем типичное отклонение.

Рис. 8. Отклонение траектории системы на основе ВОГ

Отклонение для системы на основе МЭМС составило 75 м после 4,5 мин без поступления обновленных данных от GNSS (рис. 9). В основном такое отклонение обусловливается линейным отклонением от курса, которое проявляется при работе акселерометров. После 5 мин без поступления обновленных данных от GNSS отклонение для системы на основе МЭМС составило 75 м, что примерно в 3 раза больше, чем в случае с системой на основе ВОГ.

Рис. 9. Отклонение траектории системы на основе МЭМС

Для повышения точности системы на основе МЭМС была подключена диагностическая система OBDII, при этом отклонение от действительной траектории составило менее 10 м, что эквивалентно точности решения на основе ВОГ. Типичное отклонение для системы на основе МЭМС с OBDII составило примерно 30 м после 5 мин без поступления обновленных данных от GNSS (рис. 10), что также эквивалентно результатам, полученным при испытании системы на основе ВОГ.

Рис. 10. Отклонение траектории системы на основе МЭМС с OBDII

Заключение

Борьба между МЭМС-гироскопами и волоконно-оптическими гироскопами ведется очень напряженно, особенно сейчас, когда характеристики МЭМС-устройств приближаются к характеристикам ВОГ тактического уровня. ВОГ все еще обладают более высокой точностью, но они в 10 раз дороже, чем МЭМС-устройства. В случаях, когда доступны данные от GNSS и система должна работать на открытом пространстве, МЭМС-гироскопы могут заменить некоторые бюджетные ВОГ. В случаях, когда данные от приемника GNSS являются неточными и периодическими, то МЭМС-устройствами также можно заменить некоторые ВОГ, если допустимо снижение точности на 20–30%.

При автономной работе инерциальной навигационной системы ВОГ все еще характеризуются более высокой точностью, но если в систему будут поступать также обновленные значения скорости транспортного средства или платформы, то система на основе МЭМС может работать примерно с той же точностью, что и автономная система на основе ВОГ.

Если учитывать последовательное развитие технологии МЭМС, конкурентоспособные цены и возможность использования дополнительных датчиков (например, датчиков системы OBDII), то можно предположить, что уже в ближайшем будущем большое количество волоконно-оптических гироскопов будет заменено МЭМС-устройствами.