Новая GNSS/INS система DINGPOS

Общая формула разработки GNSS приемника такова, что Время когерентного интегрирования должно составлять меньше нескольких десятков миллисекунд. Этот принцип реализуется в современных коммерческих приемниках с учетом передачи информационных битов, колебаний тактового генератора и передвижения пользователя. Тем не менее, время когерентного интегрирования в несколько секунд уменьшит значимость трех важных проблем позиционирования внутри помещений: многолучевое распространение сигнала, кросскорреляционный захват ложного сигнала и затухание прямоугольных колебаний. Увеличение времени интегрирования имеет свою цену, обычно требуется вспомогательный канал данных с информационными битами (или используется пилотный сигнал), стабильный тактовый генератор и усовершенствованная GNSS/INS интеграция для компенсации нелинейного передвижения пользователя. В этой статье описывается, как эти задачи были решены и отработаны на прототипе с чувствительностью около 1.5 дБГц, более чем на 10 дБ больше существующих показателей.

Европейское Космическое Агентство (ESA) выделило средства на разработку новой GNSS/INS системы под названием DINGPOS, с целью оценки потенциальных возможностей сигналов Galileo, существующего L1 и будущего L5 сигналов GPS в позиционировании внутри помещений. В рамках проекта DINGPOS исследуются также новые методы позиционирования внутри помещений для пешеходов, с использованием указанных выше сигналов и других датчиков или сенсоров.

Интегрированные системы могут обладать приложениями, как пешеходные навигационные системы (PNS), для служб спасения и для военных. Ключевой функцией новой системы является поддержка времени когерентного интегрирования более нескольких секунд при обработке GNSS сигнала, а также объединение большого количества датчиков позиционирования.

Система объединяет программный приемник L1/L5 GNSS, микроэлектромеханический инерциальный измерительный модуль (MEMS IMU), включая магнитометр и барометр, детектор мощности сигнала Wi-Fi, а также радионавигационную систему на базе ZigBee.

Программный приемник работает в качестве интегрирующей платформы, декодирующей GNSS сигналы E1=L1 и E5a=L5 и синхронизирующей IMU, данные магнитометра, барометра, Wi-Fi и ZigBee с сэмплами промежуточной частоты GNSS. Точность синхронизации IMU составляет +/- 2 микросекунд.

Обработка данных может проводиться как в реальном масштабе времени, так и впоследствии. Программный приемник обеспечивает Интерфейс Программирования Приложений (API) и управляет потоками данных для GNSS/INS интеграции. Особый C/C++ код DINGPOS был разработан с целью реализации ультравысокой чувствительной обработки сигнала и интегрированного позиционирования. Алгоритм загружен в программный приемник в виде динамических библиотек (DLL).

Второй программный приемник работает в качестве опорной станции для обеспечения вспомогательными данными (включая биты данных навигационных сообщений), необработанной стартовой позицией и временной синхронизацией по NTP (протоколу сетевого времени).

Прототип является ультрасильносвязанной (UTC) GNSS/IMU системой. Этот метод интеграции, запатентованный много лет назад, является отменной возможностью оптимального объединения кратковременной стабильности IMU данных с долговременной стабильностью измерений GNSS. Много публикаций затрагивали описанные интегрированные GNSS/INS системы и методы.

Основными элементами этого метода являются жесткосвязанные расчеты в обработке данных IMU и фильтр Калмана от ошибок при использовании наблюдений GNSS. Жесткосвязанный алгоритм вычисляет траекторию пользователя, и фильтр Калмана определяет ошибку этой траектории относительно истинной. Фильтр полностью контролирует процесс GNSS корреляции, обеспечивая значения периода и фазы, генератора с числовым программным управлением, для трекинга кода и несущей.

Связав все каналы GNSS с помощью фильтра Калмана, был реализован векторный трекинг. Последний может быть разных видов, в зависимости от используемых наблюдений и Калмановского вектора состояния.

UTC можно реализовать как по когерентному пути, так и по некогерентному. Некогерентная система использует эффект Доплера и псевдодальности в качестве данных и пренебрегает фазой несущей частоты. Ее точность позиционирования находится в районе 1 метра, но она может отслеживать очень слабые GNSS сигналы.

Когерентная система использует фазу несущей частоты GNSS и должна предсказывать ее состояние, используя свои внутренние состояния. Следовательно, (относительная) точность позиционирования находится в сантиметрово-миллиметровом диапазоне. Но, такие системы обычно обладают сниженной чувствительностью по сравнению с некогерентными системами.

В рассматриваемом прототипе DINGPOS предполагалось использовать MEMS IMU для уменьшения ее стоимости. Тем не менее, эта IMU технология обладает недостаточной гироскопической стабильностью, требуемой для создания когерентной UTC системы, особенно внутри помещений с очень неточными обновлениями GNSS. Поэтому было решено уйти от подхода с созданием бесплатформенной системы, и данные IMU были использованы по-другому.

Новый вариант позволил предсказывать фазу несущей частоты за короткие интервалы времени. Эту схему назвали "частично когерентной" и она будет описана ниже.

Частичная Когерентная GNSS/INS Интеграция.


Основной идеей новой предлагаемой схемы является объединение бесплатформенных расчетов и детектирования перемещения в новый тип траектории, µ-trajectory. Базовое решение дал алгоритм точного расчёта траектории, определяющий шаги пользователя, анализируя общее ускорение IMU.


Поток данных.

Реализовать очень компактную GNSS/INS систему очень сложно, поскольку она требует синхронизации многих данных до начала обработки. Да и сама обработка добавляет некоторые задержки и требует подходящих буферов данных для накопления последних.


Обработка сигнала GNSS.

Частично когерентная GNSS/INS схема требует модификации известной формулы корреляции GNSS сигнала.


Приём и накопление данных.

Основываясь на информации о начальном времени дискретного вектора принятого сигнала и расчетной дистанции между рассматриваемым спутником и пользователем, рассчитывается начальный фазовый код расширения спектра ρ(st,j) для принимаемого опорного сигнала (начальная фаза несущей устанавливается в ноль).


Трекинг.

Во время трекинга сигнала спутника, используются внутренние оптимизированные алгоритмы программного приемника для генерации точных и малозапаздывающих корреляционных значений для каждого распространяемого кодового слова. Блок "внутренних корреляций" принимает текущее значение кода и фазовой скорости несущей для каждой кодовой последовательности PRN. Оба значения определяются, основываясь на текущей относительной скорости между пользователем и спутником (получаемой из данных µ-trajectory) и на дрейфе тактового генератора.


Результаты тестирования.

В статье будут представлены результаты двух тестов прототипа DINGPOS. Сигналы спутника генерировались RF GNSS симулятором, подсоединенным к программному приемнику. Симулятор синхронизируется для симуляции подсистем точного расчёта траектории, Wi-Fi, ZigBee и µ-trajectory.

Преимущества Длительного Когерентного Интегрирования.

Когерентное интегрирование обеспечивает некоторыми преимуществами над некогерентным интегрированием. О них здесь будет написано отдельно.


Уменьшение многолучевого распространения в области сдвига Доплера.

Сам по себе процесс корреляции подавляет многолучевое распространение сигналов, если многолучевая частота Доплера отличается от прицельной частоты Доплера. Этот феномен относится к обработке синтезированной апертуры сигнала и может называться проще – прекорреляционное подавление (подавление происходящее до осуществления корреляции).


Кросскорреляционная защита с помощью стирания данных.

Если требуется отследить слабый сигнал внутри помещения, то возникает проблема, что кросскорреляционные максимумы сильного сигнала (проходящего, например, через окно) с копией слабого сигнала случайно могут быть больше чем ожидаемые максимумы автокорреляции.


Кросскорреляционная защита с помощью Векторного трекинга.

Когда приемник находится в состоянии векторного трекинга, позволяющего использовать внутреннюю спутниковую корреляцию, он не может зафиксироваться на максимуме кросс-корреляции, поскольку фактически невозможно чтобы максимум кросскорреляции следовал за максимумом автокорреляции. Векторный трекинг (при помощи других каналов приемника или IMU) убирает канал из максимума кросскорреляции.

Другие блоки прототипа.


Но даже если самые продвинутые обработки GNSS сигнала перестанут давать результат в сложных условиях внутри зданий. Для продолжения обеспечения позиционирования приемники DINGPOS используют датчики Wi-Fi и ZigBee. Более того, генератор приемника и вспомогательный канал данных являются самыми важными в условиях недоступности IMU.

Корреляционное наведение по карте не рассматривалось в этом проекте, но оно очень важно для стабилизации траектории пользователя.


Генератор приемника.

Для приемника главное чтобы ошибка его генератора была линейной в течение времени когерентного интегрирования. Изменения колебаний генератора или дрифт могут испортить результаты корреляции.


Вспомогательный канал данных.

Обработка сигнала DINGPOS зависит от доступности спутниковых эфемерид и тактовой информации, а также от передаваемых навигационных битов данных. Эти данные передаются по каналу TCP/IP. Полевой приемник внутренне задерживает обработку сигнала на несколько секунд, чтобы позволить осуществить передачу вспомогательных данных. Такая задержка вызвана использованием беспроводной связи, по причине подверженности прерываниям, медленному соединению или даже разрыву канала.


Датчики Wi-Fi и ZigBee.

Поскольку ошибка позиционирования инерциальной системы со временем увеличивается, а пройденная дистанция и уровни сигналов GNSS часто снижаются внутри помещений, требуются другие подходы к обновлению информации позиционирования. Wi-Fi можно использовать для обеспечения информацией позиционирования основываясь на эффекте близости. На сегодняшний день во многих зданиях есть Wi-Fi точки доступа, и они могут использоваться в качестве необходимой инфраструктуры.

Результаты.

Испытуемая система наглядно продемонстрировала способность когерентного интегрирования до 2 секунд (динамически) или до 10 секунд (статически) в режиме трекинга. Установление синхронизации с сигналом может достигать 1 секунды времени когерентного интегрирования.

Все показатели должны улучшиться в будущем. Симуляции производились в отличном качестве с использованием сигналов GPS/Galileo/GATE L1=E1 и L5=E5a.

Тестирование с реальным сигналом GPS кода C/A продемонстрировало, что система может отслеживать сигналы лучше, чем самый современный чип. Более того, огромные ошибки псевдодальности (вызванные кросскорреляциями или выпадение из синхронизма с прекурсором) фактически отсутствовали с включенным векторным трекингом и длительным временем когерентного интегрирования. Многолучевое распространение сигнала было успешно снижено в области сдвига Доплера.

Больше информации о новой системе GNSS/INS система DINGPOS