4. Интеграция инерциальных и спутниковых систем

Интеграция двух навигационных систем предполагает их взаимное дополнение и возможность повышения эффективности совместной эксплуатации. Такая возможность становится реальностью только при условии изучения их достоинств и недостатков, разработки средств устранения недостатков каждой из них и суммирования в гибридной системе их достоинств, а также соответствующей технологии интеграции.

1. Достоинства и недостатки навигационных систем

Интерес потребителей к инерциальным средствам измерений объясняется рядом их преимуществ перед другими системами, основными из которых являются:

• автономность работы, независимость от внешней информации и условий измерений;

• возможность определения углов ориентации по трем координатным осям и вычисления относительных координат;

• высокая частота решений, достигающая 500 Гц и пр. [43, 47].

Вместе с тем им присущи и весьма существенные недостатки, связанные с быстрым накоплением ошибок вследствие дрейфа гироскопов и интегрирования их показаний: поскольку скорость вычисляется интегрированием ускорения, то постоянная его ошибка преобразуется в непрерывно нарастающую ошибку и скорости, и координат объекта.

Казалось, что появление глобальной спутниковой навигационной системы (ГНСС), обеспечивающей возможность получения точных и относительно стабильных во времени абсолютных координат с помощью сравнительно недорогого и компактного оборудования, позволяет отказаться от использования инерциальной системы. Однако оказалось, что и спутниковые системы также не свободны от недостатков, наиболее существенными из которых являются [43, 47]:

• зависимость точности позиционирования от числа спутников, геометрии наблюдаемого созвездия и типа приемника;

• наличие «мертвых зон» и порой заметное влияние многолучевости, особенно в городах, в залесенной местности и др.;

• низкая (до 20 Гц) частота спутникового позиционирования;

• возможность «потери спутника» и необходимость повторной инициализации приемника;

• низкая точность определения крена движущегося объекта.

Все это и стимулировало разработку интегрированных навигационных систем, в которых спутниковые и инерциальные определения служат взаимным дополнением, а недостатки одних измерений компенсируются преимуществами других. При этом интеграция систем сводится к распределению их функций согласно табл. 10.8.

Таблица 10.8 [27]
Функции ИНС	Функции СНС
ускорение повторного захвата спутниковых сигналов при их потере; восстановление высокоточного решения после возобновления захвата спутниковых сигналов; определение положения объекта при плохой геометрии спутников или отсутствии сигналов; выполнение позиционирования с высокой частотой получения данных.	обеспечение выставки инерциальных приборов; моделирования систематических уходов датчиков ИНС; уменьшение ошибок инерциального решения на основе совместной обработки измерений и уравнивания с использованием фильтра Калмана.

Ведущие позиции в разработке интегрированных комплексов, программных средств и соответствующих технологий занимают ряд известных компаний: с 1993 года – Applanix (Канада), с 2004 г. – NovAtel (Канада) и JNS (США), с 2006 года – Leica Geosystems (Швейцария). С 2000 года такие комплексы широко используются для обработки цифровых снимков, полученных линейным сканированием. Причем, компания Leica Geosystems и Applanix специализируются на внедрении технологии преимущественно в аэросъемочные работы, а остальные из перечисленных выше – в практику выполнения топографо-геодезических работ.

Основными компонентами комплекса являются: инерциальный измерительный блок (IMU), двухчастотный спутниковый приемник GPS или ГЛОНАСС и бортовой вычислительный комплекс, причем, основным условием его функционирования является наличие сети референцных (базовых) станций, удаление которых от передвижного приемника не должно превышать 50 км [4].

С точки зрения уравнительных вычислений различия между рассматриваемыми системами, базирующимися на различных физических принципах, заключаются в неодинаковом характере действия погрешностей измерений, в частности:

• данные инерциальной системы характеризуются низким уровнем случайных ошибок и заметным влиянием систематических, ошибок, вызванных погрешностями начальных условий, показаний гироскопов и акселерометров, неточностью ускорения силы тяжести и пр.;

• результаты спутниковых измерений содержат случайные погрешности, вызванные нестабильностью частоты генератора приемника, задержкой сигнала из-за влияния тропосферы и ионосферы, многолучевостью, погрешностей эфемерид и практически свободны от влияния систематических.

С учетом этого преимущества гибридной (интегрированной) системы, в которой недостатки одной системы компенсируются достоинствами другой, представляются очевидными. Достижение этой цели связывается с использованием соответствующей системы обработки и согласования результатов инерциальных и спутниковых измерений.

Одной из наиболее распространенных систем такой обработки результатов измерений является фильтр Калмана, позволяющий выполнить оценку состояния динамической системы по результатам обработки неполных измерений, искаженных влиянием ошибок [47, 53].