Geïntegreerde Navigatie Prof.dr.ir. Durk van Willigen Nederlands Instituut voor Navigatie, GAUSS Research Foundation, Reelektronika NLR - Amsterdam 15 December 2006
1
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
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
Waarom
Meerdere systemen samen beter dan één enkel system …. wellicht RNP = required navigation performance
Nauwkeurigheid
Integriteit
Beschikbaarheid
Betrouwbaarheid
Regelgeving
Verzekering 4
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
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
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
Menselijke Geïntegreerde Navigatie Cameras for navigation and TCAS Gyros Inner-loop stabilisation control Optical and voice communication
Navigation planning Gravity sensors
Cargo Energieverbruik 10 aardappels / dag Levensduur 80+ jaar, zelfherstellend Staat van dienst 100,000+ jaar
Perfecte navigatie zonder Kalman filters en matrices
8
Voor mensen en vogels geen probleem! Maar ook voor vliegtuigen en schepen?
9
Inner-loop stabilisation, Collision avoidance, Outer-loop navigation, Optimal energy control
Enkele Basissystemen
GNSS
GPS, GLONASS, Galileo
eLoran
Nauwkeurig, onafhankelijk, absolute plaatsbepaling vereist database, onkwetsbaar, autonoom, nog niet commercieel beschikbaar, kostbaar
Inertial
Matig nauwkeurig, onafhankelijk, wereldwijd, scheep- en luchtvaart, autonoom, kostbaar
Lidar
Redelijk nauwkeurig, onkwetsbaar, kompas, GNSS backup functie, goedkoop, alleen op Noordelijk halfrond
Radar
Nauwkeurig, wereldwijd, kwetsbaar, goedkoop
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
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
Application of Airborne Laser Scanner Ohio University Terrain Referenced Navigation and Precision Approach Research and Demonstrations narrow beam high resolution high range accuracy high update rate
12
ALS-Based Terrain Navigator DC-8 Flight Tests Edwards AFB
13
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
Klok en MEMS Rotatiesnelheidsmeter
GPS patch antenna Versnellingsmeter Rotatiesnelheidsmeter
75 mW 1.5 x 1.5 x 4 mm NIST Chip-scale Cs Clock 15
50 € Gegist Bestek GPS versus DR Outbound track
Standaard odometer output
MEMS rotatiesnelheidsmeter
20041030.txt (8091,0.0242,-94.0,-50,-30) GPS
DR
2000
Odometer en rotatiesnelheidsmeter achteraf gecalibreerd Testtrajectlengte 3.2 km
Geaccumuleerde positiefout
North (m)
1500
1000
< 68 meters 500
0 -500
0
500
East (m)
1000
1500
16
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
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
Concept Geïntegreerde Navigatie
eLoran GNSS
Position Velocity DSP
Odometer
Heading Time
Turn-rate sensor
For map matching only
Digital Map
19
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
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
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
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
Uitdagingen horen bij het leven
24
