Цель работы: моделирование ИНС-данных по известной траектории, реализация ИНС-механизации и комплексирование результатов с ГНСС-измерениями в структуре фильтра Калмана в пространстве ошибок с целью повышения точности навигационного решения.
Оценивание: 25 баллов (Часть 1 — 10 баллов, Часть 2 — 15 баллов).
Оборудование: персональный компьютер.
-
По заданной эталонной траектории сформировать (смоделировать) инерциальные измерения ИМУ и реализовать ИНС-механизацию для получения автономного навигационного решения (положение, скорость, ориентация) с частотой ИМУ.
-
Сформировать комплементарные наблюдаемые по положению как разности между решениями ИНС и ГНСС; определить матрицу наблюдения для 15-состояний модели ошибок ИНС и задать ковариационную матрицу ошибок измерений положения ГНСС.
-
Реализовать слабосвязанную схему комплексирования ГНСС/ИНС на основе фильтра Калмана в пространстве ошибок: выполнить предсказание на каждом шаге ИМУ и обновление при появлении очередного решения ГНСС.
-
Учесть вынос (lever arm) между ИМУ и антенной ГНСС и показать его влияние на ошибки решения (с выносом и без него).
-
Выполнить оценку точности интегрированного решения относительно эталонной траектории и проанализировать чувствительность результатов к выбору параметров матриц Q и R.
1.1. Задать эталонную траекторию движения объекта (координаты и скорости в навигационной системе; при наличии — ориентация) и частоты дискретизации ИМУ и ГНСС.
1.2. Сформировать (или загрузить) последовательность решений ГНСС по положению на заданных эпохах.
2.1. По эталонной траектории сгенерировать измерения ИМУ (удельная сила и угловая скорость либо приращения).
2.2. Ввести модели ошибок датчиков (смещения/дрейфы/шум) и зафиксировать параметры.
2.3. Реализовать механизацию ИНС и получить автономные оценки положения/скорости/ориентации на такте ИМУ.
3.1. Сформировать вектор состояния ошибок ИНС (типовой 15-состояний: положение/скорость/ориентация + смещения акселерометров + дрейфы гироскопов).
3.2. Реализовать этап предсказания на каждом такте ИМУ.
3.3. Сформировать наблюдения по положению (и при необходимости скорости) как разности решений ИНС и ГНСС, задать H и R.
3.4. Выполнять обновление при поступлении очередного решения ГНСС.
4.1. Задать вектор выноса между ИМУ и антенной.
4.2. Реализовать преобразование вектора выноса в навигационную систему и учесть его в модели наблюдений.
4.3. Сравнить результаты «с учётом» и «без учёта» выноса.
5.1. Построить ошибки по положению/скорости относительно эталона, рассчитать численные метрики (например, СКО, максимум).
5.2. Выполнить эксперименты с различными значениями параметров матриц Q и R и сделать выводы о влиянии настроек.
Подготовить и продемонстрировать преподавателю следующие материалы:
- [часть 1] Исходные данные: файл(ы) эталонной траектории и решений ГНСС (временные метки, система координат, состав полей), а также описание частот дискретизации ИМУ и ГНСС.
- [часть 1] Моделирование ИМУ: принятые модели ошибок (смещения, дрейфы, шумы), значения параметров и подтверждение корректности сформированных инерциальных измерений (примеры графиков/статистик).
- [часть 1] ИНС-механизация: реализация алгоритма автономного решения (ориентация/скорость/положение) и демонстрация характерного дрейфа ИНС без коррекции.
- [часть 2] Фильтр Калмана в пространстве ошибок: состав вектора состояния, матрица перехода состояния, матрица процессного шума Q и их обоснование.
- [часть 2] Наблюдения по положению: формирование вектора наблюдений, матрицы наблюдения H и ковариационной матрицы измерений R (включая выбранную модель дисперсий/корреляций ошибок).
- [часть 2] Учёт выноса антенны ГНСС: способ задания lever arm, преобразование вектора выноса в навигационную систему и демонстрация влияния выноса на ошибки решения (сравнение режимов).
- [часть 2] Оценка точности: сравнение автономного решения ИНС и интегрированного решения ГНСС/ИНС с эталоном (графики ошибок по компонентам и суммарные метрики).