Johan Malmström 14 april Robust navigering med ett tätt integrerat GPS/INS och adaptiv lobformning

Johan Malmström 14 april Syfte Skapa en simuleringsmiljö för en tät integrering mellan ett tröghetsnavigeringssystem och GPS Modellera och implementera olika typer av GPS-mottagare Undersöka och implementera lämpliga lobformningsalgoritmer som fungerar tillsammans med GPS

Johan Malmström 14 april Presentationsöversikt Introduktion Tröghetsnavigering (INS) GPS Integrering/Implementering Adaptiv lobformning Simuleringar

Johan Malmström 14 april Var är du?

Johan Malmström 14 april Egenskaper INS och GPS INSGPS StörtålighetVäldigt braDålig FeltillväxtObegränsadBegränsad MättaktHögLåg DynamikBraDålig

Johan Malmström 14 april Varför integrera INS och GPS Tid Positionsfel GPS-fel INS-fel INS/GPS-fel

Johan Malmström 14 april Tröghetsnavigering (INS) Beräknar rörelse och hastighet och riktning relativt kända startvärden.

Johan Malmström 14 april Navigeringsekvationerna Ett system av olinjära differentialekvationer Positionsderivata: Hastighetsderivata: Riktningsderivata:

Johan Malmström 14 april GPS (Global Positioning System) Militär och civil del 24 satelliter km höjd Samma frekvens, bandspridda signaler Spridningskoderna två syften: –Särskilja satelliter –Beräkna tidsfördröjningen

Johan Malmström 14 april GPS, pseudoavstånd Mäter tidsfördröjningen mellan satellit och mottagare: Problem: –Klocksynkronisering

Johan Malmström 14 april GPS, positionering Olinjärt ekvationssystem –3 positionsobekanta –1 klockavvikelse

Johan Malmström 14 april GPS, exempel på positionering Fall 1 –2 rumskoordinater –Ingen klockavvikelse Två satelliter tillräckligt Ett enkelt exempel i två dimensioner Fall 2 –2 rumskoordinater –1 klockavvikelse Tre satelliter krävs

Johan Malmström 14 april Integrering av INS/GPS, två metoder Löst kopplat filter Tätt kopplat filter Kräver 4 satelliter. Fungerar även med färre än 4 satelliter.

Johan Malmström 14 april Implementering, Kalman-filter Sensordata integreras med att Kalman-filter –Prediktion genom att lösa navigeringsekvationerna numeriskt –Mätuppdatering med predikterat pseudoavstånd

Johan Malmström 14 april Implementering, tillstånd Riktning (3 tillstånd) Hastighet (3 tillstånd) Position (3 tillstånd) Acc. bias (3 tillstånd) Gyro bias (3 tillstånd) Mottagarklockavvikelse (1 tillstånd) Navigeringstillstånd INS-sensorbias Klocktillstånd

Johan Malmström 14 april Implementering, datagenerering Sensordata från gyron och accelerometrar Pseudoavstånd för GPS

Johan Malmström 14 april Adaptiv lobformning Rikta en hög antennförstärkning mot nyttosignaler samtidigt som störsignaler undertrycks.

Johan Malmström 14 april Adaptiv lobformning Förhandsinformation: Riktning till signaler (nyttosignaler eller störsignaler) Egenskaper hos signalen (spridningskoderna)

Johan Malmström 14 april Adaptiv lobformning och GPS Svaga signaler –Satellitsignalerna bara omkring –160 dBw innan avspridning i mottagaren. –En störsignal kan vara många miljoner gånger starkare. Spridningskoderna kända –En lobformare som utnyttjar signalegenskaper blir lätt att lura med GPS-lik signal. Satellitpositionerna kända –Möjligt att beräkna riktningar till satelliterna om mottagarens position och riktning kan estimeras. (Bra positions- och riktningsestimat från Kalman-filter)

Johan Malmström 14 april Adaptiv lobformning, LCMV Vald metod: Variansminimering med bivillkor (LCMV) Minimerar effekten efter lobformaren med bivillkor i vissa riktningar (mot satelliterna). Tre olika metoder att sätta bivillkor…

Johan Malmström 14 april Adaptiv lobformning, LCMV-S En LCMV lobformare med flera bivillkor

Johan Malmström 14 april Adaptiv lobformning, U-MV En LCMV utan bivillkor

Johan Malmström 14 april Adaptiv lobformning, LCMV-M Flera LCMV lobformare med ett bivillkor vardera

Johan Malmström 14 april Simuleringar Integrering av INS/GPS –Jämförelse av ostöttat INS och integrerat INS/GPS GPS med adaptiv lobformningsantenn –Lobformning, antalet element i antennarrayen –Störscenario med olika typer av bivillkor för LCMV

Johan Malmström 14 april GPS-felkällor Mottagarklockfel: 2 µs (600 m) Vitt Gaussiskt brus,  = 2 m Inga atmosfärsstörningar Jämförelse INS och INS/GPS, förutsättningar Flygbana Flygbanan är 10 minuter lång Farkosten accelererar med 1 m/s² de 10 första sekunderna, därefter konstant fart east (m) north (m) EASTWEST NORTH SOUTH Satellitnumber Tid (s) Satellit- bortfall Satellitbortfall Totalt satellitbortfall efter 7 minuter. Bortfallet varar i 2 minuter.

Johan Malmström 14 april Jämförelse INS och INS/GPS, positionsfel Tid (minuter) Positionsestimeringsfel (m) Ostöttad INS INS stöttad av GPS Satellit- bortfall

Johan Malmström 14 april Jämförelse INS och INS/GPS, biasestimat GyroAccelerometer Estimeringen av bias förbättrar prestandan även under satellitbortfall då GPS inte kan användas x Tid (minuter) Estimeringsfel av Gyro-bias Roll Pitch Turn Satellit- bortfall x Tid (minuter) Estimeringsfel av acc-bias Forward Right Down Satellit- bortfall

Johan Malmström 14 april Lobformning, olika antal antennelement 2x23x3 4x45x5

Johan Malmström 14 april Störscenario Flygbana med flera brusstörare –11 flygburna störare på 100 mW var –En 10 W störare vid slutpunkten Navigering med tätt kopplat INS/GPS –10 satelliter synliga LCMV-lobformning med olika bivillkor –Positions- och riktnings- estimat från Kalman-filter för att sätta bivillkor –4x4 element i antennarrayen

Johan Malmström 14 april Störscenario, lobformningsalgoritm Tre olika typer av LCMV-algoritmen: –En lobformare med flera bivillkor –En lobformare utan bivillkor –Multipla lobformare med ett bivillkor vardera

Johan Malmström 14 april Störscenario, ensam LCMV-lobformare SNR-förbättring 13 dB i medel – Alla satelliter samma SNR-förbättring, en störsignal försämrar alla satelliters SNR – Många bivillkor ger möjlighet att undertrycka störsignaler

Johan Malmström 14 april Störscenario, MV utan bivillkor SNR-förbättring 47 dB i medel –Många korta satellitbortfall +Behöver inga bivillkor

Johan Malmström 14 april Störscenario, multipla LCMV-lobformare SNR-förbättring 65 dB i medel +Bäst SNR –Kräver parallella mottagare

Johan Malmström 14 april SlutpunktRMS Isotrop antenn412 m108 m Enkel LCMV315 m67.5 m MV utan bivillkor1.40 m1.01 m Multipla LCMV0.25 m0.96 m Störscenario, positionfel

Johan Malmström 14 april Frågor?

Johan Malmström 14 april Sammanfattning Integrering av INS och GPS ger bättre prestanda –Bättre prestanda än de två systemen enskilt skulle ha givit –Bias i INS kan estimeras Adaptiv lobformning förbättrar SNR –Ger fler användbara satelliter. –Variansminimering lämplig lobformningsalgoritm.

Johan Malmström 14 april