Александр Иванович Перов – д.т.н., профессор, руководитель учебно-исследовательского центра,  «Национальный исследовательский университет «МЭИ» (Москва, Россия)

SPIN-код: 1111-2824

E-mail: alexp@aha.ru

Александр Юрьевич Шатилов – к.т.н., доцент, 

«Национальный исследовательский университет «МЭИ» (Москва, Россия)

SPIN-код: не представлен

E-mail: shatilov@srns.ru

Постановка проблемы. Одним из направлений повышения эффективности навигационных комплексов подвижных объектов является создание инерциально-спутниковых навигационных систем (ИСНС), в которых совместно обрабатываются сигналы инерциальных датчиков и сигналы глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС). Опубликовано большое число работ по ИСНС, реализующих комплексную обработку сигналов инерциальных датчиков и координатной и скоростной информации аппаратуры потребителей ГНСС. Существенно меньше публикаций по вопросам комплексирования инерциальных датчиков и информации об ориентации объекта, которая может быть получена по сигналам ГНСС с пространственно распределенной антенной системой навигационного приемника (НАП). И практически отсутствуют исследования по повышению чувствительности угломерной НАП при ее комплексировании с инерциальными датчиками. В то же время повышение чувствительности угломерной НАП, в том числе за счет ее комплексирования с ИНС, является важной проблемой. 

Цель. Представить комплексный алгоритм определения угловой ориентации объекта по сигналам ГНСС и сигналов гироскопов, обеспечивающий повышение чувствительности приема навигационных сигналов и точность определения угловой ориентации объекта.

Результаты. Проведен синтез комплексного алгоритма определения угловой ориентации объекта по сигналам ГСНС и сигналов гироскопов. С помощью синтезированного алгоритма реализовано непосредственное слежение за разностью фаз сигналов, принимаемых в двух пространственных точках (вместо слежения за полными фазами принимаемых сигналов). Применен метод «глубокого интегрирования» в совместной обработке с сигналами гироскопов, что обеспечивает повышение чувствительности, то есть определение угловой ориентации объекта при малом отношении сигнал/шум. Показано, что при использовании дешевых МЭМС-гироскопов обеспечивается работоспособность системы определения углов ориентации объекта при отношении сигнал/шум 18 дБ (чувствительность ИСНС) вместо 27−36 дБГц при использовании известных алгоритмов с фазовыми измерениями.

Практическая значимость. Использование синтезированного алгоритма комплексной обработки сигналов ГНСС и гироскопов обеспечивает повышение чувствительности ИСНС на 10−14 дБ по сравнению со стандартными алгоритмами с фазовыми измерениями, а также повышение точности определения углов ориентации.

Перов А.И., Шатилов А.Ю. Комплексный алгоритм определения угловой ориентации объекта по сигналам ГНСС и ИНС // Радиотехника. 2020. Т. 84. № 9(18). С. 5−29. DOI: 10.18127/j00338486-202009(18)-01.

1. Grewal M.S., Andrews A.P., Bartone C.G. Global Navigation Satellite Systems, Inertial Navigation, and Integration. 3-rd edition. John Wiley & Sons, Inc. New Jercey, USA. 2013. Р. 54−107. 
2. Markley F.L., Crassidis J.L. Fundamentals of Spacecraft Attitude Determination and Control. Springer: New York, USA. 2014.  Р. 140−147.
3. Cohen С.Е., Parkinson, В.W., Spilker J.J. Attitude determination. In book Global Positioning System: Theory and Applications. Washington, D.C.: American Institute of Aeronautics and Astronautics, USA. 1996. V. 2. Р. 519−538. 
4. Suhandri H.F. Instantaneous Estimation of Attitude from GNSS. Institute of Navigation. University of Stuttgart, Germany. 2017.  Р. 49−78.
5. Zhao L., Li N., Li L., Zhang Y., Chun C. Real-Time GNSS-Based Attitude Determination in the Measurement Domain. Sensors 2017. V. 17. № 296. Р. 1−15.
6. ГЛОНАСС. Модернизация и перспективы развития / Под ред А.И. Перова. М.: Радиотехника. 2020.
7. Olesen D., Jakobsen J., Knudsen P. Ultra-Tightly Coupled GNSS/INS for small UAVs // In Proceedings of the 30th International Technical Meeting of the Satellite Division of the Institute of Navigation. Portland, Oregon. September 25−29 2017. Р. 2587−2602.
8. Farrell J.A. Aided Navigation. GPS with High Rate Sensors. McGraw-Hill Companies: USA. 2008. Р. 421−430.
9. Olesen D., Jakobsen J., Knudsen P. Ultra-Tightly Coupled GNSS/INS for small UAVs // In Proceedings of the 30th International Technical Meeting of the Satellite Division of the Institute of Navigation. Portland, Oregon. 2017. Р. 2587−2602.
10. Liu W., Liu B., Chen X. Multi-sensor Fusion Algorithm Based on GPS/MEMS-IMU Tightly Coupled for Smartphone Navigation Application // In Proceedings of the 30th International Technical Meeting of the Satellite Division of the Institute of Navigation. Portland, Oregon. 2017. Р. 2973−2980.
11. Dusha D., Mejias L. Attitude observability of a loosely-coupled GPS/Visual Odometry Integrated Navigation Filter // In Proceedings of the Australasian Conference on Robotics and Automation. Brisbane, Queensland. 2010.
12. Li Y., Efatmaneshnik M., Dempster A. Attitude determination by integration of MEMS inertial sensors and GPS for autonomous agriculture applications // GPS Solutions. 2012. № 6. Р. 41−52. 
13. Lai Y.C., Jan S.S. Attitude estimation based on fusion of gyroscopes and single antenna GPS for small UAVs under the influence of vibration // GPS Solutions. 2011. № 15. Р. 67−77.
14. Wu Y., Wang J., Hu D. A New Technique for INS/GNSS Attitude and Parameter Estimation Using Online Optimization // IEEE Transactions on Signal Processing. 2014. V. 62. № 10. Р. 2642–2655.
15. Cai X., Hsu H., Chai H., Ding L., Wang Y. Multi-antenna GNSS and INS Integrated Position and Attitude Determination without Base Station for Land Vehicles // The Journal of Navigation. 2019. № 72. Р. 342−358.
16. Xu P., Shu Y, Niu X., Liu J., Yao W., Chen Q. High-rate multi-GNSS attitude determination: experiments, comparisons with inertial measurement units and applications of GNSS rotational seismology to the 2011 Tohoku Mw9.0 earthquake // Measurement Science and Technology. 2019. V. 30. № 024003. Р. 1−23. 
17. Ballal T., Bleakley C.J. GNSS Instantaneous Ambiguity Resolution and Attitude Determination Exploiting the Receiver Antenna Configuration // IEEE Transaction on Aerospace and Electronic Systems. 2014. V. 50. № 3. Р. 2061−2069.
18. Teunissen P.J.G. New method for fast carrier phase ambiguity estimation // In Proceedings of the IEEE Position Location and Navigation Symposium. Las Vegas, Mev, USA. 1994. Р. 562–573.
19. Perov A.I. Tracking Algorithm for Estimating the Orientation Angles of the Object Based on the Signals of Satellite Radio Navigation System // American Journal of Applied Sciences. 2015, V. 12. № 12. Р. 1000−1013. 
20. Perov A.I. Synthesis of Integrated One-stage Tracking Algorithm for GNSS and INS Based Attitude Estimation // Journal of Siberian Federal University. Mathematics & Physics. 2017. V. 10. № 1. Р. 22–35.
21. Shatilov A.Y., Nagin I.A. A Tightly-Coupled GNSS/IMU Integration Algorithm for Multi-Purpose INS // In The Proceedings of the 25th International Technical Meeting of The Satellite Division of the Institute of Navigation. Nashville, TN. 2012. Р. 867–873. 
22. Wahba G. A Least Squares Estimate of Satellite Attitude // SIAM Rev. 1965. V. 7. № 3. Р. 384–386.
23. Crisan D., Rozovskii B. The Oxford Handbook of Nonlinear Filtering. Oxford University Press: Oxford, New York. 2011.  Р. 1–1063.
24. Kaplan E.D., Hegarty S.J. Understanding GPS/GNSS. Principles and Application. 3-rd ed. Artech Hause: Boston/London. 2017.  Р. 452−454.
25. Shatilov A.Y. Reference Oscillator Short-Term Drift as it’s Sensed by GNSS Receiver // In Proceedings of the 27th International Technical Meeting of the Satellite Division of the Institute of Navigation. Tampa, Florida. September 8−12 2014. Р. 2625−2634.
26. Перов А.И. Статистическая теория радиотехнических систем. М.: Радиотехника. 2003.