Навигация в условиях подавления спутниковых сигналов с использованием инерциальных систем, визуальной одометрии и радиомаяков с оценкой наблюдаемости и дрейфа

Аннотация

Работа посвящена созданию комплексной навигационной системы для мобильных платформ, работающих в помещениях и городских условиях, где спутниковые сигналы недоступны либо преднамеренно искажены. Цель исследования состоит в разработке алгоритма глубокой интеграции инерциальных измерений визуальной одометрии и данных от радиомаяков с одновременной оценкой наблюдаемости и параметров дрейфа датчиков и в экспериментальной проверке полученного решения. В качестве материалов используются результаты численного моделирования траекторий движущегося объекта, а также данные натурных экспериментов на роботизированной платформе оборудованной инерциальным модулем стереокамерой и системой из стационарных сверхширокополосных радиомаяков на закрытом испытательном полигоне со сложной конфигурацией маршрутов. Методология основана на расширенном фильтре Калмана с пятнадцатимерным вектором состояния, включающим координаты скорости ориентацию и квазистационарные ошибки акселерометров и гироскопов при этом проводится формальный анализ наблюдаемости путем исследования ранга матрицы и изучается влияние траекторий и геометрии маяков на возможность идентификации дрейфа. Результаты моделирования и экспериментов показывают, что чисто инерциальная система приводит к лавинообразному росту ошибки позиционирования, тогда как добавление визуальной одометрии и радиомаяков экспоненциально снижает среднеквадратическую ошибку абсолютного положения вплоть до десятых долей метра по всей протяженности трассы. Показано, что комплексная конфигурация обеспечивает высокую точность оценки смещений инерциальных датчиков с относительной ошибкой порядка нескольких процентов, что заметно замедляет накопление погрешности при временной потере внешних измерений и обеспечивает мягкую деградацию точности при отказах отдельных подсистем. Дополнительно продемонстрирована критическая зависимость точности от геометрического фактора расположения радиомаяков и сформулированы инженерные рекомендации по их размещению для достижения заданного уровня допустимой ошибки. Научная новизна работы заключается в одновременном количественном учете наблюдаемости параметров дрейфа и влияния геометрии инфраструктуры что позволяет задать обоснованные требования к маневрам платформы и конфигурации датчиков еще на этапе проектирования системы. Намечены направления дальнейших исследований, включающие применение более общих нелинейных фильтров анализ работы в условиях негауссовых шумов и разработку адаптивных процедур изменения весов измерений в зависимости от текущей информационной ценности сигналов.