Geïntegreerde Navigatie

Transcriptie

1 Geïntegreerde Navigatie Prof.dr.ir. Durk van Willigen Nederlands Instituut voor Navigatie, GAUSS Research Foundation, Reelektronika NLR - Amsterdam 15 December

2 Navigatie? Navigatie is een totaal proces van Planning Plaatsbepaling Genereren van stuurcommandos Ccontroleren van proces Communicatie met verkeersleiders en andere verkeersdeelenemers Beperken ons tijdelijk tot plaatsbepaling 2

3 Integratie Van wat? Kiezen uit radar, of GPS, of INS, of eloran, of??? Loose coupling Een schatting van de positie op basis van de posities bepaald door Radar en GPS en INS en eloran en??? Tight coupling Een schatting van de positie op basis van afstanden tot, en/of hoekmetingen naar zenders of andere doelen 3

4 Waarom Meerdere systemen samen beter dan één enkel system. wellicht RNP = required navigation performance Nauwkeurigheid Integriteit Beschikbaarheid Betrouwbaarheid Regelgeving Verzekering 4

5 Moeilijke Keuze Een goede keuze moet leiden tot een beter resultaat Er moet wel wat te kiezen zijn! Kiezen van een systeem of oplossing vereist goede kennis van de RNP parameters van elk systeem apart Zo niet, dan is de keuze ongefundeerd en dus onacceptabel bij kritische toepassingen Kwaliteit is niet een kwestie van schatten maar van meten en weten! 5

6 Hoe bepalen we kwaliteit? Nauwkeurigheid: Spreiding in de meting van afstanden/hoeken Resultaten afhankelijk van meettijd en constantheid van meetomstandigheden Langere meettijden vereisen kennis van verandering van positie gedurende de meettijd Radio signaal condities moeten constant zijn gedurende de meting Integriteit: Testen op tegenstrijdigheden in gevonden afstanden/hoeken Vereist overbepaaldheid, dus meer metingen dan onbekenden 6

7 Hoe bepalen we kwaliteit - 2 Beschikbaarheid Provider: signaalcondities, geometrie User: apparatuur, operators Betrouwbaarheid Afhankelijk van provider en user Geeft de bedrijfszekerheid van gehele systeem gedurende de duur van een gespecificeerde procedure Harbour Entrance and Approach (HEA) Precision Landing Cat I / II / III 7

8 Menselijke Geïntegreerde Navigatie Cameras for navigation and TCAS Gyros Inner-loop stabilisation control Optical and voice communication Gravity sensors Navigation planning Cargo Energieverbruik 10 aardappels / dag Levensduur 80+ jaar, zelfherstellend Staat van dienst 100,000+ jaar Perfecte navigatie zonder Kalman filters en matrices 8

9 Voor mensen en vogels geen probleem! Maar ook voor vliegtuigen en schepen? 9 Inner-loop stabilisation, Collision avoidance, Outer-loop navigation, Optimal energy control

10 Enkele Basissystemen GNSS GPS, GLONASS, Galileo Nauwkeurig, wereldwijd, kwetsbaar, goedkoop eloran Redelijk nauwkeurig, onkwetsbaar, kompas, GNSS backup functie, goedkoop, alleen op Noordelijk halfrond Radar Matig nauwkeurig, onafhankelijk, wereldwijd, scheep- en luchtvaart, autonoom, kostbaar Lidar Nauwkeurig, onafhankelijk, absolute plaatsbepaling vereist database, onkwetsbaar, autonoom, nog niet commercieel beschikbaar, kostbaar Inertial Wijd verbreid in lucht- en ruimtevaart, nauwkeurige uitvoering kostbaar en volumineus, MEMS goedkoop maar veel minder nauwkeurig Odometer Zeer nauwkeurig maar slechts één-dimensionaal 10

11 LIDAR Research at Ohio University Incrementele navigatie Meet mbv laser afstanden tot omgeving Berekent verplaatsing door vergelijking van meerdere beelden die in de tijd verschoven zijn Grote nauwkeurigheid Absolute navigatie Vergelijkt gescande omgeving met database Hoge nauwkeurigheid Robuust en onkwetsbaar 2-D positioning at the 10-cm level (no map knowledge used) 11

12 Application of Airborne Laser Scanner narrow beam high resolution high range accuracy high update rate Ohio University Terrain Referenced Navigation and Precision Approach Research and Demonstrations 12

13 ALS-Based Terrain Navigator DC-8 Flight Tests Edwards AFB 13

14 Meten en middelen Langere middelingstijden reduceren ruis in het antwoord Is alleen correct indien de condities in de tijd, de afstanden en de richting tijdens de meting stationair zijn of niet ongecontroleerd veranderen Klok in ontvanger van goede kwaliteit, bijv. Cesium of Rubidium Verplaatsing meten mbv inertieel systeem en incrementeel systeem 14

15 Klok en MEMS Rotatiesnelheidsmeter Versnellingsmeter GPS patch antenna Rotatiesnelheidsmeter 75 mw 1.5 x 1.5 x 4 mm NIST Chip-scale Cs Clock 15

16 50 Gegist Bestek GPS versus DR Standaard odometer output Outbound track txt (8091,0.0242,-94.0,-50,-30) MEMS rotatiesnelheidsmeter 2000 GPS DR Odometer en rotatiesnelheidsmeter achteraf gecalibreerd 1500 Testtrajectlengte 3.2 km Geaccumuleerde positiefout < 68 meters North (m) East (m) 16

17 Voertuignavigatietechniek Odometer is standaard aanwezig Indien gecalibreerd, zeer nauwkeurig MEMS rotatiesnelheidsmeter Nul-drift ten gevolgen van temperatuurvariaties Niet-lineare schaal Ruis Klein en goedkoop Map matching Data base kostbaarste deel Robuust Calibreert odometer en rotatiesnelheidsmeter 17

18 Renault Carminat Na initialisatie kan GPS worden uitgeschakeld gedurende 100 km testrit zonder te verdwalen Na parkeren is GPS niet nodig voor re-initialisatie Positie en richting zijn opgeslagen in geheugen Na calibratie met GPS is gegist bestekfout < 200 m na een rit van 10 km 18

19 Concept Geïntegreerde Navigatie eloran GNSS Odometer Turn-rate sensor Digital Map DSP For map matching only Position Velocity Heading Time 19

20 Enkele Valkuilen Calibratie moet gegist bestek beter en niet slechter maken Vereist relatief kleine radioplaatsbepalingsfouten en goede betrouwbaarheid Calibratie mag alleen uitgevoerd worden wanneer radioplaatsbepaling buiten elke verdenking is Hoe bepalen we de betrouwbaarheid van radiosystemen in een omgeving met onbetrouwbare propagatie van radiosignalen? Goede SNR kan samengaan met foutief signaal! 20

21 Oordeel over Radionavigation? Maken odometer + rotatiesnelheidsmeter + map matching samen radionavigatie overbodig? Mutuele calibratie maakt dit team bijna onverslaanbaar Radioplaatsbepaling alleen nodig om map-matching proces te initialiseren Systeem moet weten waar de trip begint Laaste positie en richting worden bewaard tijdens parkeren Monitoren van proces mens agoris 21

22 Een paar gewetensvragen Moeten we mechanische sensoren gebruiken om de primaire status van radionavigatie in moeilijke radioomgevingen te kunnen behouden? Of, maken we gegist bestek op basis van odometer en rotatiesnelheidsmeter het primaire systeem en gebruiken radioplaatsbepaling alleen maar voor calibratie van de mechanische sensoren? 22

23 Conclusies Mechanische sensoren hebben de laatste decade grote voortuitgang geboekt Prestatie/prijs ratio Integratie van GNSS en eloran versterkt de betrouwbaarheid van radionavigatie in geïntegreerde navigatiesystemen Nieuwe generaties van GNSS en eloran ontvangers worden uitgerust met ondersteunende inertieële sensoren De technische uitdagingen en de benodigde investeringen zijn groot, maar wanneer de resultataten opwindend zijn, bijv. zoals.. 23

24 Uitdagingen horen bij het leven 24