Технология SPAN TM компании NovAtel Inc. (Канада) Высокоточное комплексное позиционирование ГНСС+ИНС Александр Янкуш ООО «ГНСС плюс» технический директор +7 (495) сентября 2008 Пореч, Хорватия

2 из 18© , «ГНСС+» Особенности ГНСС + Основные преимущества + Обеспечиваются точные абсолютные координаты + Точность относительно стабильна по времени + Относительно недорогое и компактное оборудование - Основные недостатки - Требуется внешняя информация (т.е. сигналы спутников) - Точность часто меняется (зависит от числа и геометрии спутников, типа приемников и режима позиционирования) - Максимальная частота вывода решений сейчас только 50Гц - По вектору скорости можно вычислить только курс и тангаж

3 из 18© , «ГНСС+» Способы повышения качества ГНСС Дифференциальные сервисы + подсистемы SBAS (WAAS, EGNOS, MSAS, CNAS, GAGAN) + спутниковый дифсервис OmniSTAR + морские береговые радиомаяки + сети постоянных станций (IGS,SAPOS,CORS) Использование нескольких систем + ГЛОНАСС+GPS+(Galileo) + Модернизация систем Принципиально иные технологии + оптика или лазеры + Инерциальные Навигационные Системы (ИНС=INS)

4 из 18© , «ГНСС+» Что такое ИНС (INS)? ИНС – Инерциальная Навигационная Система Что такое Инерциальная Навигация? Блок Инерциальных Измерений (IMU) объединяет три акселерометра и три гироскопа измеряются ускорения и угловые скорости измерения интегрируются по времени… …и вычисляются приращения координат относительно начальных координат (т.е. выполняется автономная навигация)

5 из 18© , «ГНСС+» Особенности ИНС + Основные преимущества + Не требуется внешней информации + Вычисляются точные относительные координаты + Обеспечиваются углы ориентации по трем осям + Частота вывода решений до 1000Гц + Точность решения стабильна от эпохи к эпохе - Основные недостатки - Точность решения снижается по времени (уходы датчиков) - Высокое энергопотребление - Относительно дорогое и громоздкое оборудование

6 из 18© , «ГНСС+» Как интегрируются ГНСС и ИНС ? ГНСС решение дает начальные координаты для ИНС Спутниковые измерения используются для моделирования систематических уходов датчиков ИНС, чтобы уменьшить рост ошибок в ИНС-решении ИНС-решение используется для заполнения периодов при плохой геометрии спутников или отсутствии сигналов ИНС-решение используется для помощи в повторном захвате сигналов спутников ИНС-решение способствует крайне быстрому восстановлению высокоточного решения после возобновления захвата спутниковых сигналов ИНС-решение обеспечивает более частую выдачу данных (координат и элементов ориентации)

7 из 18© , «ГНСС+» Основные типы ГНСС+ИНС комплексов Для решения навигационных задач Обеспечение точности несколько метров + элементы ориентации Беспилотные аппараты, автомобильная навигация Для высокоточного позиционирования Обеспечение точности от сантиметоров до субметра + элементы ориентации Аэросъемочные комплексы, дорожные лаборатории Applanix, Leica, IGI, NovAtel

8 из 18© , «ГНСС+» Технология SPAN TM (NovAtel Inc., Канада) SPAN = Synchronized Position, Attitude and Navigation Синхронизированное Позиционирование, Пространственная ориентация и Навигация Комплексное решение ГНСС + ИНС как в реальном времени (в приемнике) так и в постобработке (в специализированном ПО)

9 из 18© , «ГНСС+» Составляющие технологии SPAN двух- или трехчастотный ГЛОНАСС\GPS\L-band приемник геодезического класса компании NovAtel Прецизионная двух- или трехчастотная ГЛОНАСС\GPS\L-band антенна NovAtel Блок Инерциальных Измерений (БИИ) iMAR, Honeywell, Northrop Grumman, KVH опция - радиоканал (УКВ или GSM) для передачи дифференциальных поправок в реальном времени Pacific Crest, Satel, Siemens опция - программный пакет – для комплексной постобработки спутниковых и инерциальных измерений Inertial Explorer (NovAtel) Включает GrefNav\GrafNet

10 из 18© , «ГНСС+» Базовый и бортовой комплексы Бортовой приемник NovAtel серии OEM-V3 GPS антенна Блок инерциальных датчиков Кабель для источника питания Радиоканал для передачи дифпоправок (опция) Базовый приемник (лучше NovAtel) Персональный компьютер (или КПК) с программой CDU

11 из 18© , «ГНСС+» Алгоритм SPAN (+Inertial Explorer) конвертирование сырых данных загрузка из интернета данных базовых станций (если необходимо) ввод координат базовых станций, типов и высот антенн выбор профиля постобработки обработка GPS траекторий в прямом и обратном направлениях и их комбинирование (анализ разности решений) Ввод векторов редукций «блок IMU –> ГНСС антенна» «блок IMU –> сенсор» обработка ИНС-данных сглаживание и объединение траекторий на выходе (с частотой до 400 Гц) – координаты, скорости и элементы ориентации

12 из 18© , «ГНСС+» Точностные характеристики (1) Позиционирование (1СКО) Автономное > 1.5м SBAS (WAAS/EGNOS) > 90cм DGPS (по коду) – 45cм OmniSTAR (HP+) – 10-15cм RT-2 – 10мм+1мм/км Постобработка – 5мм+1мм/км Скорость и ускорение 0.02 м/с и 0.03 м/с 2 Время 20 нс

13 из 18© , «ГНСС+» Точностные характеристики (2) Элементы ориентации (1СКО, градусы) 0.005° ~ 18 азимут (курс) крентангаж FSAS 0.041°0.015° HG1700 (H58/H62) 0.031° 0.053° 0.013° 0.018° LN °0.010°

14 из 18© , «ГНСС+» Возможности SPAN Рост ошибки в координатах в зависимости от времени Время теста (сек) Ошибка в координатах (м)

15 из 18© , «ГНСС+» Области применения ГНСС/ИНС

16 из 18© , «ГНСС+» Описание теста съемка в 2 последовательных дня Запись данных для постанализа сырые измерения GPS и ИНС решения GPS/ИНС в реальном времени (RTK) по технологии SPAN метки времени срабатывания камеры вычисление опорных углов ориентации из первого полета по наземным контрольным пунктам использование опорных углов для второго полета для расчета оценки точности комплексного навигационного решения SPAN и Inertial Explorer

17 из 18© , «ГНСС+» Задачи теста наглядность и простота эксперимента получение результатов технологически различными методами сравнение результатов и их оценка выводы

18 из 18© , «ГНСС+» Характеристика залетов 2 полета в два последовательных дня высота ~ 900м соответствует масштабу снимка 1:6000

19 из 18© , «ГНСС+» GPS приемник NovAtel ProPak-V3 специальная версия внутреннего ПО с поддержкой данных внешнего инерциального измерительного блока (IMU) Инерциальный блок LN200 IM гироскопы - волоконно-оптические акселерометры - микромеханические выдача данных до 200 Гц Плата SDLC (Synchronous Data-Link Control) Управление синхронным каналом обмена данными Используемая аппаратура

20 из 18© , «ГНСС+» Используемое ПО CDU настройка параметров работы комплекса сбор «сырых» измерений визуализация решений в реальном времени Inertial Explorer Комплексная постобработка GPS+ИНС данных

21 из 18© , «ГНСС+» Интеграция с аэрокамерой Карта синхронизации интерфейса (SDLC) установлена внутри корпуса фотокамеры Кабели выведены через специальное отверстие

22 из 18© , «ГНСС+» Используемые углы в системе фотограмметрия ω-φ-κ (омега-фи- каппа) ОФК описывают ориентацию камеры ОФК решение относится к геоиду обязательно вводится поправка за сближение меридианов левая система координат инерциальная система крен-тангаж-курс описывают ориентацию инерциальной системы IMU навигационное решение относится к эллипсоидальной высоте последовательность поворотов: z – x – y правая СК

23 из 18© , «ГНСС+»

24 из 18© , «ГНСС+» Сравнение координат с контрольными пунктами Разница между точными (каталожными) координатами и координатами полученных Inertial Explorer Контрольные пункты День 1День 2 По Х (м)По Y (м)По Высоте (м)По Х (м)По Y (м)По Высоте (м) DUN GRN LJQ MNP RDP SUN WRP СКО Результаты теста

25 из 18© , «ГНСС+» Результаты теста Оценка параметров ориентации Разницы между классическим фотограмметрическим определениями и решениями Inertial Explorer и SPAN Опорные углы были вычислены по данным первого полета Эти же углы были использованы для корректировки данных второго дня РешенияДень 1День 2 Омега ()Фи ()Каппа ()Омега ()Фи ()Каппа () Inertial Explorer SPAN (автономное) SPAN RTK

26 из 18© , «ГНСС+» Контроль качества Inertial Explorer предлагает две точностные характеристики – стандартное отклонение и СКО Выдаются для разницы между прямым и обратным направлением обработки Наиболее актуальными в этом проекте являются разности параметров ориентации Крен (рад)Тангаж (рад)Курс (рад) среднее из заявленного СО на снимке 1-ый день 13.0 (0.004)13.3 (0.004)34.2 (0.010) 2-ой день 13.0 (0.004) 32.4 (0.009) СКО комбинированного решения (из Inertial Explorer) 1-ый день 20.2 (0.006)29.2 (0.008)50.0 (0.014) 2-ой день 20.2(0.005)29.2(0.008)50.0 (0.014) СКО разницы между элементами ориентационными полученными фотограмметрическим способом и при помощи Inertial Explorer Омега (рад)Фи (рад)Каппа (рад) день (0.004)16.2 (0.005)15.1 (0.004) день (0.005)10.8 (0.003)24.3 (0.007)

27 из 18© , «ГНСС+» Тестирование комплекса ГНСС+ИНС

28 из 18© , «ГНСС+» Только ГНСС-решение (1)

29 из 18© , «ГНСС+» Только ИНС-решение (2)

30 из 18© , «ГНСС+» Комплексное решение (ГНСС + ИНС) (3)

31 из 18© , «ГНСС+» Заключение по технологии SPAN Обеспечивается непрерывное позиционирование (даже в условиях неблагоприятных для ГНСС) Обеспечиваются координаты, элементы ориентации и скорости с высокой дискретностью Обеспечивается более быстрое восстановление отслеживания спутников после потери сигналов Обеспечивается более быстрое высокоточное решение (как в постобработке, так и в реальном времени) Используются фазовые ГНСС-измерения для сглаживания ИНС-решения даже когда спутников недостаточно для отдельного ГНСС-решения

Технология SPAN TM компании NovAtel Inc. (Канада) Высокоточное комплексное позиционирование ГНСС+ИНС Александр Янкуш ООО «ГНСС плюс» технический директор +7 (495) сентября 2008 Пореч, Хорватия