Robust navigering med ett tätt integrerat GPS/INS och adaptiv lobformning. Johan Malmström 14 april 2003

Transkript

1 1 Robust navigering med ett tätt integrerat GPS/INS och adaptiv lobformning

2 2 Syfte Skapa en simuleringsmiljö för en tät integrering mellan ett tröghetsnavigeringssystem och GPS Modellera och implementera olika typer av GPS-mottagare Undersöka och implementera lämpliga lobformningsalgoritmer som fungerar tillsammans med GPS

3 3 Presentationsöversikt Introduktion Tröghetsnavigering (INS) GPS Integrering/Implementering Adaptiv lobformning Simuleringar

4 4 Var är du?

5 5 Egenskaper INS och GPS INS GPS Störtålighet Väldigt bra Dålig Feltillväxt Obegränsad Begränsad Mättakt Hög Låg Dynamik Bra Dålig

6 6 Varför integrera INS och GPS 20 Positionsfel GPS-fel INS-fel INS/GPS-fel Tid

7 7 Tröghetsnavigering (INS) Beräknar rörelse och hastighet och riktning relativt kända startvärden.

8 8 Navigeringsekvationerna Ett system av olinjära differentialekvationer Riktningsderivata: Hastighetsderivata: Positionsderivata: d dt d dt d dt x x! C e e e b = = x! e = 2Ω C e b Ω e ie x! b eb e Ω e ie Ω e ie x e + a e + g e

9 9 GPS (Global Positioning System) Militär och civil del 24 satelliter km höjd Samma frekvens, bandspridda signaler Spridningskoderna två syften: Särskilja satelliter Beräkna tidsfördröjningen

10 10 GPS, pseudoavstånd Mäter tidsfördröjningen mellan satellit och mottagare: Problem: Klocksynkronisering ρ 1 ρ 1 r = 1 + cδt

11 11 GPS, positionering Olinjärt ekvationssystem 3 positionsobekanta 1 klockavvikelse ρ ρ ρ ρ r r r r + cδt + cδ + cδ + cδ = = 2 t 3 = 3 t 4 = 4 t ρ 2 ρ 1 ρ 4 ρ 3

12 12 GPS, exempel på positionering Ett enkelt exempel i två dimensioner Fall 1 2 rumskoordinater Ingen klockavvikelse Två satelliter tillräckligt ρ 1 ρ 2 Fall 2 2 rumskoordinater 1 klockavvikelse Tre satelliter krävs ρ 1 ρ 3 ρ 2

13 13 Integrering av INS/GPS, två metoder Löst kopplat filter Kräver 4 satelliter. Tätt kopplat filter Fungerar även med färre än 4 satelliter.

14 Implementering, Kalman-filter 14 Sensordata integreras med att Kalman-filter Prediktion genom att lösa navigeringsekvationerna numeriskt Mätuppdatering med predikterat pseudoavstånd

15 15 Implementering, tillstånd Riktning (3 tillstånd) Navigeringstillstånd Hastighet (3 tillstånd) Position (3 tillstånd) INS-sensorbias Acc. bias (3 tillstånd) Gyro bias (3 tillstånd) Klocktillstånd Mottagarklockavvikelse (1 tillstånd)

16 16 Implementering, datagenerering Sensordata från gyron och accelerometrar Pseudoavstånd för GPS

17 17 Adaptiv lobformning Rikta en hög antennförstärkning mot nyttosignaler samtidigt som störsignaler undertrycks.

18 18 Adaptiv lobformning Förhandsinformation: Riktning till signaler (nyttosignaler eller störsignaler) Egenskaper hos signalen (spridningskoderna)

19 19 Adaptiv lobformning och GPS Svaga signaler Satellitsignalerna bara omkring 160 dbw innan avspridning i mottagaren. En störsignal kan vara många miljoner gånger starkare. Spridningskoderna kända En lobformare som utnyttjar signalegenskaper blir lätt att lura med GPS-lik signal. Satellitpositionerna kända Möjligt att beräkna riktningar till satelliterna om mottagarens position och riktning kan estimeras. (Bra positions- och riktningsestimat från Kalman-filter)

20 20 Adaptiv lobformning, LCMV Vald metod: Variansminimering med bivillkor (LCMV) Minimerar effekten efter lobformaren med bivillkor i vissa riktningar (mot satelliterna). Tre olika metoder att sätta bivillkor

21 21 Adaptiv lobformning, LCMV-S 0 En LCMV lobformare med flera bivillkor

22 22 Adaptiv lobformning, U-MV 0 En LCMV utan bivillkor

23 23 Adaptiv lobformning, LCMV-M Flera LCMV lobformare med ett bivillkor vardera

24 24 Simuleringar Integrering av INS/GPS Jämförelse av ostöttat INS och integrerat INS/GPS GPS med adaptiv lobformningsantenn Lobformning, antalet element i antennarrayen Störscenario med olika typer av bivillkor för LCMV

25 Flygbana Jämförelse INS och INS/GPS, förutsättningar Flygbanan är 10 minuter lång Farkosten accelererar med 1 m/s² de 10 första sekunderna, därefter konstant fart GPS-felkällor Mottagarklockfel: 2 µs (600 m) Vitt Gaussiskt brus, σ = 2 m Inga atmosfärsstörningar NORTH WEST EAST north (m) east (m) Satellitnumber Tid (s) Satellitbortfall Satellitbortfall SOUTH Totalt satellitbortfall efter 7 minuter. Bortfallet varar i 2 minuter.

26 26 Jämförelse INS och INS/GPS, positionsfel 50 Positionsestimeringsfel (m) Ostöttad INS INS stöttad av GPS Satellitbortfall Tid (minuter)

27 27 Jämförelse INS och INS/GPS, biasestimat Estimeringsfel av Gyro-bias 4 x Gyro Roll -6 Pitch Turn Tid (minuter) Estimeringsfel av acc-bias x 10-3 Accelerometer Tid (minuter) Satellitbortfall Satellitbortfall Forward Right Down Estimeringen av bias förbättrar prestandan även under satellitbortfall då GPS inte kan användas.

28 Lobformning, olika antal antennelement 28 2x2 3x3 4x4 5x5

29 Flygbana med flera brusstörare 11 flygburna störare på 100 mw var En 10 W störare vid slutpunkten Störscenario 29 Navigering med tätt kopplat INS/GPS 10 satelliter synliga LCMV-lobformning med olika bivillkor Positions- och riktningsestimat från Kalman-filter för att sätta bivillkor 4x4 element i antennarrayen

30 30 Störscenario, lobformningsalgoritm Tre olika typer av LCMV-algoritmen: En lobformare med flera bivillkor En lobformare utan bivillkor Multipla lobformare med ett bivillkor vardera

31 Störscenario, ensam LCMV-lobformare 31 SNR-förbättring 13 db i medel Alla satelliter samma SNR-förbättring, en störsignal försämrar alla satelliters SNR Många bivillkor ger möjlighet att undertrycka störsignaler

32 Störscenario, MV utan bivillkor 32 SNR-förbättring 47 db i medel Många korta satellitbortfall + Behöver inga bivillkor

33 Störscenario, multipla LCMV-lobformare 33 SNR-förbättring 65 db i medel + Bäst SNR Kräver parallella mottagare

34 Störscenario, positionfel 34 Slutpunkt RMS Isotrop antenn 412 m 108 m Enkel LCMV 315 m 67.5 m MV utan bivillkor 1.40 m 1.01 m Multipla LCMV 0.25 m 0.96 m

35 35 Frågor?

36 36 Sammanfattning Integrering av INS och GPS ger bättre prestanda Bättre prestanda än de två systemen enskilt skulle ha givit Bias i INS kan estimeras Adaptiv lobformning förbättrar SNR Ger fler användbara satelliter. Variansminimering lämplig lobformningsalgoritm.

37 37