导航中获取航向的常用方法

2020年12月5日13:06:02 评论

航向源

导航中获取航向的常用方法

本白皮书介绍了使用姿态航向参考系统(AHRS)或惯性导航系统(INS)时用于确定导航航向的不同方法,并根据典型的应用要求推荐合适的航向源。这些只是建议性的,应针对个别应用进行全面评估。

速度航向

速度航向的工作原理是通过连续的GNSS测量从速度和加速度的方向得出航向。它适用于在大多数情况下不会侧向行驶的轮式或轨道式车辆,其航向主要用于行进中的导航,而不会受到长时间的GNSS干扰。速度航向需要GNSS定位,并且水平车辆速度至少为1.15 m/s。因此,航向精度取决于GNSS信号的质量和车辆行驶的速度。

导航中获取航向的常用方法

虽然速度航向基本上不受电磁干扰的影响,但速度方向很容易受到卫星干扰的干扰,例如树木或高楼大厦的干扰。速度航向具有较少的安装约束避免干扰,并且比磁航向(例如,使用里程表输入)更容易提供辅助。与磁力计不同,它不需要在安装后进行校准。

速度航向不适用于直升机,轮船或其他侧向移动(侧滑)的运动载体,因为该算法推算的是对地航向而不是车辆航向。对于固定式应用,例如方向对准或跟踪缓慢移动的物体(例如装有INS的人)的前进方向,它也无效。在长时间内无法使用GNSS的环境(例如海底或采矿应用)中,不应使用速度航向。

速度航向对于运行速度超过1.15 m/s的汽车,铁路和轮式车辆非常有效果。

Advanced Navigation设备包括倒车检测算法,可确定车辆是否已转弯或仅在倒车行驶。

磁航向

磁力计容易受到附近的铁质物体和磁铁的干扰(静态干扰)以及会产生不同水平电磁场的设备(动态干扰)的影响。磁航向使用三个磁力计来测量地球磁场的强度,绝对的3D方向。使用磁航向的导航系统应在安装后进行校准。这是因为地球磁场根据纬度和经度而变化。未校准的磁航向的准确度明显较低,建议用于极精度航向的测量。

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在将INS安装到车辆上之后,可以通过执行磁校准程序来测量和补偿作为车辆一部分或随车辆移动的静态干扰源。除非车辆上INS的位置发生变化或车辆上的其他项目被更改,否则此校准仅需要一次。建议使用3D校准程序,该程序要求围绕每个轴至少旋转一圈,但是由于重量或体积的原因,这在许多车辆上可能无法实现。只能通过绕一个轴旋转来执行不太精确的2D磁校准。

动态干扰源包括大电流接线,电机,伺服器,螺线管和不随INS一起移动的大量含铁材料。动态干扰源的固有幅度会随时间变化,无法简单地进行校准。因此,基于磁力计的INS应尽可能远离这些干扰源。使用高导磁合金或类似材料对干扰信号源进行磁屏蔽会一定程度上有所帮助,但是远离这些干扰源是最有效的缓解方法。

Advanced Navigation设备包括一种特殊的算法,可以帮助消除动态磁干扰的影响,并可以补偿遇到的最典型的干扰源。

磁航向能够在大多数工作条件下提供航向,但与双天线航向相比,其准确性要低得多。这使其成为成本受限或GNSS信号接收条件较差环境下的首选方法。

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陀螺航向(寻北航向)

使用FOG(光纤陀螺仪)进行寻北非常准确,但是此精度取决于纬度;越靠近赤道,航向精度越高,因为在赤道处的相对运动更大。确定航向的另一种方法是测量地球在太空中的自转,这一过程通常称为寻北航向或陀螺航向。使用复杂的3维数学算法,可以通过在一段时间内进行陀螺仪测量来确定真北方向。地球每24小时以360度(每分钟0.25度)的速度旋转,因此需要使用极为灵敏的陀螺仪来分辨出这一变化。

陀螺罗盘/光纤陀螺仪对运动,冲击和振动很敏感,需要一些程序和时间进行初始化,这使其不适用于某些车辆和应用,但是,他们可以在没有任何外部参考的情况下确定航向。陀螺航向在GNSS无法使用的环境下(需要有较低的冲击和振动)是一个很好的选择。

双天线GNSS航向

双天线GNSS接收机可以通过比较两个GNSS天线的位置来确定航向。当可获得良好的GNSS信号接收时,首选此方法。此方案有很好的成本效益,并且能提供非常准确的航向。通过增加天线间隔距离,可以进一步提高航向精度。

声学航向(水下应用)

声学航向允许来自诸如水面船上的双天线GNSS之类的已知的航向,通过水声传递到海底设备。这种航向传递方法使用一对USBL(超短基线)设备来计算信号的声学接近角,并且可以获得与高端陀螺罗盘相当的角度精度。

声学航向对电磁或电干扰不敏感,特别适用于相对靠近地面运行或需要将数据或信号链接到地面系统的系统。与陀螺航向不同,声学航向不依赖于纬度。

选型建议

下面将根据常见情况,对选择导航航向源提出一些一般性建议。根据我们广泛的客户群,我们确定了与应用最匹配的Advanced Navigation设备。

陆地车辆

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公路车辆

公路车辆通常能够执行2D磁性校准过程,而3D校准在物理上几乎总是不可能的。 车辆也可以使用陀螺罗经,但通常出于成本考虑而将其排除在外,除非在地下进行使用(例如采矿)。它们不受大幅度横向运动的影响,这意味着其航线和航向通常是相同的,因此速度航向是可以使用的,但它们通常会受到短期GNSS限制的环境(例如隧道)影响。 一个关键的选择标准是没有GNSS信号的车辆必须运行多长时间; 更长的使用周期将需要更强大(更昂贵)的惯性测量设备。

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越野车

越野车辆通常能够执行2D磁校准和寻北过程。高振动和冲击水平也使其不适用于基于FOG的设备。

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火车

火车通常无法执行任何类型的磁校准,并且还会受到高水平的动态电磁干扰,从而使磁航向变得不可靠。火车在轨道上行驶受到横向约束,这意味着航线和航向始终相同。从表面上看,速度航向是适用的,但是,在GNSS受限的环境(例如隧道)中,火车需要长期运行,并且长时间停车会导致航向漂移。建议将双天线系统用于此应用,以提供最大化航向精度和稳定性。如果在GNSS受限的环境(例如隧道)中的相对时间长并且对精度要求较高,则建议使用基于FOG的系统,因为该应用通常冲击和振动水平不高,因此将表现出良好的性能。

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海洋船舶

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船舶和小船

船舶通常能够执行2D磁校准,并且只要将INS与强电磁干扰源充分隔开,磁航向也是可行的选择。不建议使用速度航向,因为大多数船只在水流,风,推进器等的影响下可以侧向移动。有时,它们会受到GNSS限制的短期环境(例如桥梁)的影响,或者在航行时接近障碍物。

对于大多数水面船只而言,最佳的导航航向源是双天线航向。这样可以在卫星干扰最小的环境中以比陀螺罗盘更低的价格进行非常精确的导航。对于从事高精度应用的船舶,建议使用基于FOG的GNSS系统。

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水下航行器

水下航行器以低速运行,并且会产生较大的侧向运动,因此无法使用速度航向。除了在水面之外,缺少GNSS卫星的可见性,也排除了双天线GNSS航向方案。

建议将陀螺航向作为水下航行器的航向源,因为低动态,阻尼良好的操作环境可在不依赖GNSS卫星信号的情况下最大限度地提高可达到的精度。

对于在1000m以内水深运行的水下航行器,建议使用声学航向,因为它比基于磁力计的解决方案更准确,并且比陀螺罗盘便宜。

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空中飞行器

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固定翼飞机

超高速固定翼飞机可能会遇到速度和/或高度限制,这会限制GNSS接收器的选项,并因此限制可用的INS选择。大多数固定翼飞机的移动速度太快,以致于无法正确地跟踪陀螺罗盘,因此不建议使用这种航向方法。

尽管磁航向是可用的,但其精度大大低于双天线GNSS航向,建议将其用于绝大多数机载应用。

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直升机

尽管通常不考虑速度和高度限制,但适用于固定翼飞机的大多数情况也适用于直升机。

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多旋翼飞机

振动,高动态和SWaP(尺寸,重量和功率)的考虑,经常会排除了陀螺罗盘航向。

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垂直起降飞机

VTOL(垂直起降)飞机的运行条件类似于多旋翼飞机。

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气球和高海拔低速飞行器

这类飞行器的动态性相对较低,因此磁航向或陀螺航向都可能是合适的选择。由于飞行器通常会横向移动,因此不建议使用速度航向。制造气球的一个区别是,航线可能比有效载荷的航向更为有用。根据飞行器的大小,可进行2D或3D磁校准。

这些飞行器可能会遇到高度限制,这会限制GNSS接收器选项,并因此限制可用的INS选择。根据ITAR规定,许多商用GNSS接收器都设计为在18,000m高度以上停止运行。

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测匠
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