Исследование точности навигационных определений в помещении по сигналам сверхширокополосной локальной навигационной системы

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ»

Исследование точности навигационных определений в помещении по сигналам сверхширокополосной локальной навигационной системы

А.А. Чугунов, Д.В. Царегородцев

Аннотация

Сегодня жизни большого числа людей во многом зависят от систем навигации. Фактическим стандартом для позиционирования в открытом пространстве являются глобальные навигационные спутниковые системы (ГНСС) ГЛОНАСС, GPS, Galileo, Beidou. В то же время актуальным является обеспечение навигации в закрытых помещениях и в зонах низкого качества радионавигационного поля ГНСС. Использование сверхширокополосных сигналов локальных навигационных систем один из перспективных вариантов повышения надежности навигации в сложных условиях. В данной работе представлены вариант построения такой системы и расчет точности навигационных определений.

Ключевые слова: локальная навигация; навигация в помещении; вторичная обработка; сверхширокополосные сигналы.

Abstract

навигационный спутниковый сверхширокополосный сигнал

Research of positioning accuRACy of local ultra-wide band navigation system

Navigation systems play an important role in solving a large number of military and civilian tasks. The actual standard for use in open space are GNSS GLONASS, GPS, Galileo, Beidou and their various functional additions. At the same time, it is relevant to solve the problem of indoor navigation and navigation in areas of poor GNSS coverage. One of the most promising approaches to solving such problems is an ultra-wideband local navigation system. In this paper, we describe a variant of constructing such a system with one-way-ranging architecture end estimate the accuracy of positioning.

Keywords: local navigation; local positioning; ultra-wide band; indoor navigation.

Введение

Известно большое число подходов и технологий, применяемых для задач локальной навигации, в частности - для задач навигации в закрытых помещениях [1]. Фактического стандарта для задач локальной навигации, такого как ГНСС для открытых пространств, нет, поскольку потребители и области применения локальных систем весьма разнообразны. Области потенциального внедрения таких систем - это навигация сервисных и промышленных роботов, в том числе летающих, навигация транспорта в тоннелях и на крытых парковках, навигация пешеходов в помещениях, захват движений тела человека для медицинских, спортивных и развлекательных целей, мониторинг персонала на промышленных предприятиях и в офисах и многие другие применения.

Технологии и методы, применяемые для задач локальной навигации, можно разделить на следующие группы:

- радиотехнические: дальномерные (по мощности принимаемого сигнала, по задержке огибающей), разностно-дальномерные (по разности задержек огибающих), угломерные, обзорно-сравнительные, магнитные (обзорно-сравнительные и фазовые позиционные);

- оптические: обзорно-сравнительные и позиционные лазерные дальномерные (на базе лидара), позиционные угломерные и обзорно-сравнительные на базе видеокамеры;

- ультразвуковые: дальномерные позиционные (по задержке огибающей, по фазе);

- инфракрасные: позиционные угломерные;

- инерциальные: от полноценной кинематики с 6-ю степенями свободы до шагомера с оценкой планарных координат.

Каждая технология обладает своими достоинствами и недостатками, а области применения и потребители систем локальной навигации (СЛН) весьма разнообразны. В связи с этим в настоящее время однозначного стандарта не выявлено и широким фронтом проводятся исследования и разработки новых подходов.

Например, основной причиной высокой погрешности узкополосных радиотехнических систем является многолучёвость распространения радиоволн в окрестности стен и других препятствий, характерных для мест вероятной эксплуатации локальных навигационных систем. Наиболее эффективный способ борьбы с многолучёвостью - расширение спектра навигационных сигналов: чем короче импульсы навигационных сигналов, тем надёжнее в приёмнике выделяется импульс прямого сигнала из смеси с импульсами отражённых сигналов.

По этой причине новые сверхширокополосные СЛН являются одним из перспективных подходов для решения задач точной навигации в закрытых помещениях. Их основные преимущества перед лидарами - независимость от погодных условий и условий освещённости, а также относительно низкая стоимость базовых компонентов.

Постановка задачи

Требуется провести экспериментальную оценку точности навигационных определений по сигналам сверхширокополосной СЛН. Для этого требуется решить следующие задачи:

- выбор компонентной базы

- синтез алгоритмов фильтрации и решения навигационной задачи на плоскости (2D)

- разработка макета и проведение экспериментальных измерений

Компонентная база

В данной работе в качестве компонентной базы используется устройство LPS2 mini производства шведской компании Loligo Electronics (Рис 1). Данное устройство представляет собой интерфейсную плату для приемо-передатчика DWM1000 производства компании Decawave, являющегося основой данного устройства. Приемо-передатчик DWM1000 осуществляет приём и передачу, а также цифровую обработку сверхширокополосных сигналов в соответствии со стандартом IEEE802.15.4-2011. Кроме того, на плате LPS2 mini имеется micro USB разъем для подключения устройства к компьютеру или к блоку питания, а также Bluetooth модуль для конфигурации и беспроводной связи с устройством. Помимо этого, модуль LPS2 Mini имеет в своем составе блок инерциальных МЭМС датчиков, выполненных в виде единой интегральной схемы MPU-9250, включающей в себя акселерометр, гироскоп, магнитометр и барометр, что позволяет осуществлять комплексирование радиоизмерений с инерциальными измерениями на базе одного модуля.

Рис. 1 Радиомодуль LPS2 mini

Построенная на базе данных модулей СЛН функционирует по методу TDoA []. Система состоит из двух сегментов: инфраструктуры опорных маяков двух типов - Мастера-маяка и ведомых маяков, и навигационной аппаратуры потребителей, число которых не ограниченно, поскольку система является беззапросной.

Принцип работы рассматриваемой СЛН представлен на рис. 2.

Рис. 2 Временная диаграмма, поясняющая принцип работы сверхширокополосной СЛН

Мастер-маяк с определенным темпом (40-60 мс) излучает сверхширокополосный радиоимпульс, промодулированный его уникальным идентификатором. Ведомые маяки по принятию сигнала мастера-маяка излучают свои радиосигналы в заранее назначенном порядке. Радиоприемник навигационной аппаратуры потребителя измеряет задержки приема сигналов ведомых маяков относительно времени приема сигнала мастера маяка. Поэтому в качестве навигационных параметров выступают разности дальностей, которые вычисляются по формуле:

где координаты i-го ведомого маяка, координаты мастера-маяка, координаты потребителя.

Таким образом, измерения на каждом шаге представляют собой пачки разностей дальностей вида (1) на фоне белого гауссовского шума наблюдения.

1. Алгоритм вторичной обработки

В качестве алгоритма решения навигационной задачи предлагается использовать фильтрационный алгоритм вторичной обработки, основанный на теории оптимальной нелинейной фильтрации.

Для применения фильтрационных алгоритмов необходимо задаться моделями измерений (2) и изменения информативных процессов (4):

где k - номер такта, а матрица S рассчитывается как

где F, G - известные матрицы, формирующий дискретный белый гауссовский шум.

В данной постановке решением является алгоритм расширенного фильтра Калмана [2].

Эксперимент

Для оценки точности определения координат был проведен эксперимент на мекете сверхширокополосной СЛН, изображенной на рисунке 3. Макет включал в себя восемь опорных маяков, а в качестве потребителя выступал радиоуправляемый колесный робот с установленным на нем сверхширокополосным радиоприемником.

Рис. 3 Макет СЛН

Потребитель находился в статике в точке с известными координатами, измеренными прецизионным лазерным дальномером. Для оценки точности используется среднеквадратичное отклонение (СКО) ошибки оценки от истинного положения.

Результаты обработки измерений приведены на рисунке 4.

Расчет показал, что СКО ошибки оценки координат по оси абсцисс составило 4 см, а по оси ординат - 5 см. Это говорит о том, что выбранная сверхширокополосная элементная база с выбранным фильтрационным алгоритмом вторичной обработки обеспечивает сантиметровую точность определения координат потребителя.

На рисунке 5 представлена оценка координат потребителя, находящегося в динамике.

В силу того, что истинная траектория движения неизвестна, количественную оценку точности позиционирования в динамике получить не удалось.

Рис. 4 Истинное положение потребителя и оценка его координат

Рис. 5 Оценка координат динамичного потребителя

Заключение

В работе было проедено экспериментальное исследование точности навигации по сверхширокополосным радиосигналам. Для этого была выбрана соответствующая сверхширокополосная компонентная база, построен макет локальной навигационной системы и проведены его испытания. Применение фильтрационного алгоритма вторичной обработки расширенного фильтра Калмана обеспечило сантиметровую точность навигационных определений. В перспективе, возможно осуществлять комплексирование радиоизмерений с измерениями инерциальных датчиков, что поддерживает выбранная компонентная база, что позволит повысить точность благодаря использованию дополнительной информации о динамике потребителя.

Литература

1. Куликов Р.С., Царегородцев Д.В., Чугунов А.А. Беззапросная сверхширокополосная радиосистема локальной навигации высокой точности. // Радиотехника, 2018, №9, 169-177 с.

2. ГЛОНАСС. Принципы построения и функционирования / Под. ред. А.И. Перова, В. Харисова. Изд. 4-е, перераб. и доп.. М.: Радиотехника, 2010. 800 с.

3. Корогодин И.В. Применение OFDM сигналов в навигационных системах. // Радиотехника, 2018, №9, 154-162 с.

4. Перов А.И., Ипполитов С.П. Исследование алгоритма оценивания параметров сигнала с пространственно-временной обработкой наблюдений с антенной решетки в действительных числах. // Радиотехника, 2018, №9, 139-144 с.

5. Перов А.И. Синтез одноэтапного алгоритма обработки радиосигналов в аппаратуре спутниковой навигации // Радиотехника, 2018, №9, 145-153 с.

6. Перов А.И. Синтез комплексного алгоритма фильтрации разностей фаз в инерциально-спутниковой угломерной навигационной аппаратуре // Радиотехника, 2018, №9, 120-130 с.

7. Шатилов А.Ю. Алгоритм оптимальной линейной интерполяции с фиксированной задержкой // Радиотехника, 2016, №9, 106-112 с.

8. Куликов Р.С., Царегородцев Д.В., Куковякина Н.А., Шамина А.А., Лепетюха В.А. Разностно-дальномерный метод определения координат потребителя применительно к построению локальных беззапросных систем навигации. // Вестник Московского энергетического института, 2018, №6, 160-165 с.

9. Куликов Р.С., Чугунов А.А., Петухов Н.И., Индриков И.Р. Способ пространственного фокусирования энергии радиоволн в точке приема для систем связи пятого поколения // Вестник Московского энергетического института, 2018, №5, 158-165 с.

Размещено на Allbest.ru