Ca orice estimare, determinarea poziției utilizând semnalele GNSS are asociată o incertitude dependentă de mai mulți factori specifici locației, mediului și momentului în care se face măsurarea. Informațiile de mai jos, vă ajută să înțelegeți limitările în utilizarea semnalelor GNSS pentru poziționare, dar și modalitățile prin care puteți atenua incertitudinea și îmbunătăți fiabilitatea măsurătorilor.
Receptoarele GPS/GNSS rezistente protejează sistemele INS împotriva bruiajelor și interferențelor
O podgorie franceză din valea Loarei poate oferi o priveliște frumoasă, dar ferma întâmpină dificultăți în a recruta muncitori care să îngrijească viile crescute organic. Tânăra generație s-a mutat în orașe, lăsând comunitățile rurale cu un deficit de forță de muncă. Soluția identificată de specialiști a fost utilizarea unui tractor complet autonom, dezvoltat de compania franceză Sitia, ce lucrează neobosit pentru a plivi rândurile înguste dintre vița de vie. După o lună întreagă de muncă și sute de kilometri acoperiți, reprezentanții Sitia s-au întâlnit cu fermierul pentru a evalua lucrarea realizată și pentru a-l despăgubi pentru doi butuci de viță, care au fost deteriorați de utilaj în timpul lunii de operare. Aceștia au fost surprinși să audă fermierul exclamând: “Când folosesc tractorul manual pentru a face aceeași treabă, distrug cel puțin doi butuci în fiecare zi! Cum a reușit robotul vostru să fie atât de eficient?”. Un nivel ridicat de precizie și integritate asigură o calitate înaltă a operațiunilor autonome.
Dar ce înseamnă cu adevărat integritatea poziționării și cum afectează aceasta performanța constantă a roboților și a altor mașini autonome? Integritatea reprezintă veridicitatea informațiilor de poziționare și de precizie a poziției, chiar dacă presupune să indice faptul că informația actuală despre poziție nu este atât de precisă pe cât se dorește într-un anumit mediu dificil. Un rol important în furnizarea poziționării cu integritate înaltă îl are analiza statistică numită RAIM sau RAIM+, ultima aducând această analiză la un nivel superior ca parte a unui pachet mai larg de protecție a poziționării.
De ce este integritatea vitală pentru automatizare?
Să aruncăm o privire mai atentă la integritatea receptorului GNSS, în sensul raportării veridice a posibilelor imprecizii în poziționare și cum raportarea excesiv de optimistă poate duce la operații autonome dezastruoase. Raportarea preciziei receptorului se face prin incertitudinea poziționării, care reprezintă eroarea maximă posibilă a poziției calculate. Ea oferă o idee despre riscul unei erori de poziționare, necesară mai ales în medii dificile în care receptorul “vede” doar un număr limitat de sateliți GNSS sau în cazul în care semnalele GNSS sunt degradate.
O raportare a erorilor de acest gen este importantă pentru toate mașinile autonome, dar în special pentru aplicațiile PNT și pentru operațiunile de natură critică ale misiunii. Trebuie ținut cont că o poziție constantă poate părea precisă, dar totuși poate fi incorectă. Incertitudinea poziționării indică în ce măsură ne putem baza pe precizia poziționării la orice moment dat.
Linia albastră din Figura 1 arată incertitudinea poziționării estimate de un receptor GNSS în condiții favorabile, când cerul nu este obstrucționat și receptorul are o vedere directă către mai mulți sateliți. Operatorul receptorului poate seta o limită de alarmă (indicată în roșu), astfel încât receptorul să poată semnala situațiile când incertitudinea poziționării devine prea mare.
În condiții favorabile, incertitudinea poziționării rămâne mult sub limita de alarmă, deoarece poziția calculată este aproape aceeași cu poziția reală a robotului. Cu toate acestea, în medii dificile, veridicitatea incertitudinii poziționării devine crucială (vezi Figura 2). De exemplu, când vederea către cer este parțial obstrucționată de clădiri sau vegetație, receptorul are acces la un număr limitat de sateliți GNSS, făcând mai dificilă calcularea poziției precise. În astfel de cazuri, receptorul trebuie să raporteze o incertitudine mai mare în poziționare, astfel încât sistemul să poată lua măsuri adecvate, cum ar fi să comute la viteze mai mici, să rămână la distanță de granițele predefinite sau chiar să se oprească.
Un receptor cu integritate scăzută poate continua să raporteze o incertitudine optimistă de poziționare, care rămâne sub limita de alarmă setată chiar și atunci când poziția calculată este departe de poziția reală. Cifrele pot arăta bine, dar utilajul devine efectiv un “robot scăpat de sub control”, care nu mai este pe traseul său planificat, având riscul de a se deteriora sau de a deteriora mediul din jurul său.
Să analizăm limitele de incertitudine în acțiune prin intermediul unui test GNSS cu o mașină pe o stradă înconjurată de clădiri înalte, unde vederea către cer este parțial obstrucționată. În Figura 3, liniile portocalii reprezintă soluția de poziționare și limitele de incertitudine ale acesteia, raportate de modulul GNSS mosaic montat pe mașină, în timp ce liniile roșii reprezintă pozițiile și limitele de incertitudine ale acestora raportate de un alt receptor GNSS folosit în industrie. Linia albă arată poziția reală a mașinii în timp ce se deplasează pe drum. Limitele de incertitudine portocalii ale receptorului Mosaic sunt veridice și ușor mai îndepărtate în acest mediu dificil, și se poate vedea că poziția reală rămâne întotdeauna în interiorul acestor limite. Pe de altă parte, traiectoria roșie deviază de pe traseu într-un anumit punct dificil de pe drum, iar poziția reală nu mai este în interiorul limitelor de incertitudine, care rămân prea optimiste. În acest caz, receptorul competitor oferă o falsă senzație de securitate și sistemul nu este conștient de funcționarea sa periculoasă.
Dacă receptorul reprezentat de linia roșie ar furniza informații de navigație pentru un sistem ADAS, de exemplu, acest lucru ar putea induce în eroare sistemul să interpreteze că mașina a schimbat benzile. Dacă sistemul ar încerca apoi să corecteze traiectoria, pentru a reveni la “benzile corecte”, acest lucru ar duce la scoaterea mașinii de pe curs și potențial la coliziune cu bordura sau chiar cu altă mașină.
RAIM vs RAIM+
Mecanismul din spatele raportării exacte a incertitudinii de poziționare este RAIM (Monitorizarea Integrității Autonome a Receptorului), care asigură calculul veridic al poziționării pe baza analizei statistice și a excluderii oricărui satelit sau semnal atipic. Receptoarele Septentrio sunt proiectate pentru a oferi integritate ridicată și duc tehnologia RAIM la un nivel superior cu RAIM+, garantând veridicitatea poziționării cu un grad sporit de încredere. În cazul receptoarelor Septentrio, RAIM+ este, de fapt, o componentă a unui pachet extins de protecție a receptorului numit GNSS+, care include protecția poziționării la diferite niveluri, inclusiv AIM+ împotriva bruiajelor și interferențelor de tip semnal falsificat (spoofing), IONO+ rezistența la scintilațiile ionosferice și APME+ reducerea erorilor de tip multipath (de reflexie).
Modelul statistic Septentrio RAIM+ a fost perfecționat cu ajutorul a peste 50 de TB de date de teren colectate pe parcursul a 20 de ani. Acesta elimină sateliții și semnalele care pot genera erori din cauza reflexiilor multipath, a activității solare din ionosferă, a bruiajelor și interferențelor, lucrând împreună cu componentele GNSS+ menționate mai sus. Datorită acestei arhitecturi de protecție cu multiple componente, receptorul atinge un nivel foarte înalt de precizie și de încredere în soluția de poziționare, care depășește cu mult standardul RAIM. Modelul statistic RAIM+ este adaptabil, foarte detaliat și complet, folosind toate constelațiile și semnalele GNSS disponibile. Funcționalitatea completă a RAIM+ este disponibilă chiar și în linia de produse GNSS/INS a companiei Septentrio. Parametrii controlați de utilizator permit ajustarea sa la cerințele specifice ale acestuia.
Diagrama de mai jos arată sistemul RAIM+ în acțiune în timpul unui atac de bruiaj și falsificare de semnal asupra unui receptor GNSS Septentrio. În timp ce AIM+ elimină efectele bruiajelor GNSS, AIM+ și RAIM+ lucrează împreună pentru a bloca atacul de falsificare a semnalului. Sateliții cu erori mari ale distanței estimate până la receptor, indicați pe graficul din mijloc, sunt eliminați de RAIM+ deoarece nu se conformează cu distanța anticipată de la satelit.
Astfel, chiar și în cazul bruiajelor și falsificării semnalului, tehnologia de integritate ridicată a receptorului Septentrio oferă o soluție de poziționare veridică și corectă pe care orice sistem autonom se poate baza.
Proiectarea GNSS în jurul fiabilității
Receptoarele GNSS ce oferă informații de încredere sunt proiectate pentru a obține integritate înaltă atât în raportarea incertitudinii poziționării, cât și în modelarea statistică avansată RAIM+. Acest lucru permite receptoarelor să furnizeze mesaje de avertizare veridice în cel mai scurt timp și să fie rezistente în diverse medii dificile. Alte tehnologii, precum INS (Sistemul de Navigație Inerțială), pot fi, de asemenea, cuplate la receptorul GNSS pentru a extinde disponibilitatea poziționării chiar și în timpul scurtelor întreruperi ale semnalului GNSS. Indicatorii de calitate pentru semnalele satelitare, starea CPU, calitatea stației de bază și calitatea generală a sistemului permit monitorizarea încrederii în soluția de poziționare la orice moment dat. Receptoarele GNSS cu integritate înaltă furnizează poziționare veridică pentru mașinile autonome, cum ar fi tractorul de plivit Sitia. Ele sunt, de asemenea, componente cruciale în aplicațiile critice pentru siguranță, în aplicațiile ce necesită asigurarea informațiilor de poziție, navigație și timp și orice altă aplicație în care precizia și încrederea în soluția primită sunt importante.