Johan Malmström 14 april 2003 1 Robust navigering med ett tätt integrerat GPS/INS och adaptiv lobformning.

En presentation över ämnet: "Johan Malmström 14 april 2003 1 Robust navigering med ett tätt integrerat GPS/INS och adaptiv lobformning."— Presentationens avskrift:

1 Johan Malmström 14 april 2003 1 Robust navigering med ett tätt integrerat GPS/INS och adaptiv lobformning

2 Johan Malmström 14 april 2003 2 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

3 Johan Malmström 14 april 2003 3 Presentationsöversikt Introduktion Tröghetsnavigering (INS) GPS Integrering/Implementering Adaptiv lobformning Simuleringar

4 Johan Malmström 14 april 2003 4 Var är du?

5 Johan Malmström 14 april 2003 5 Egenskaper INS och GPS INSGPS StörtålighetVäldigt braDålig FeltillväxtObegränsadBegränsad MättaktHögLåg DynamikBraDålig

6 Johan Malmström 14 april 2003 6 Varför integrera INS och GPS 050010001500200025003000 10 5 0 5 15 20 Tid Positionsfel GPS-fel INS-fel INS/GPS-fel

7 Johan Malmström 14 april 2003 7 Tröghetsnavigering (INS) Beräknar rörelse och hastighet och riktning relativt kända startvärden.

8 Johan Malmström 14 april 2003 8 Navigeringsekvationerna Ett system av olinjära differentialekvationer Positionsderivata: Hastighetsderivata: Riktningsderivata:

9 Johan Malmström 14 april 2003 9 GPS (Global Positioning System) Militär och civil del 24 satelliter 20 200 km höjd Samma frekvens, bandspridda signaler Spridningskoderna två syften: –Särskilja satelliter –Beräkna tidsfördröjningen

10 Johan Malmström 14 april 2003 10 GPS, pseudoavstånd Mäter tidsfördröjningen mellan satellit och mottagare: Problem: –Klocksynkronisering

11 Johan Malmström 14 april 2003 11 GPS, positionering Olinjärt ekvationssystem –3 positionsobekanta –1 klockavvikelse

12 Johan Malmström 14 april 2003 12 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

13 Johan Malmström 14 april 2003 13 Integrering av INS/GPS, två metoder Löst kopplat filter Tätt kopplat filter Kräver 4 satelliter. Fungerar även med färre än 4 satelliter.

14 Johan Malmström 14 april 2003 14 Implementering, Kalman-filter Sensordata integreras med att Kalman-filter –Prediktion genom att lösa navigeringsekvationerna numeriskt –Mätuppdatering med predikterat pseudoavstånd

15 Johan Malmström 14 april 2003 15 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

16 Johan Malmström 14 april 2003 16 Implementering, datagenerering Sensordata från gyron och accelerometrar Pseudoavstånd för GPS

17 Johan Malmström 14 april 2003 17 Adaptiv lobformning Rikta en hög antennförstärkning mot nyttosignaler samtidigt som störsignaler undertrycks.

18 Johan Malmström 14 april 2003 18 Adaptiv lobformning Förhandsinformation: Riktning till signaler (nyttosignaler eller störsignaler) Egenskaper hos signalen (spridningskoderna)

19 Johan Malmström 14 april 2003 19 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)

20 Johan Malmström 14 april 2003 20 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…

21 Johan Malmström 14 april 2003 21 Adaptiv lobformning, LCMV-S En LCMV lobformare med flera bivillkor -25 -10 30 210 60 240 90270 120 300 150 330 180 0 0

22 Johan Malmström 14 april 2003 22 Adaptiv lobformning, U-MV En LCMV utan bivillkor -25 -10 30 210 60 240 90270 120 300 150 330 180 0 0

23 Johan Malmström 14 april 2003 23 Adaptiv lobformning, LCMV-M Flera LCMV lobformare med ett bivillkor vardera -25 -10 30 210 60 240 90270 120 300 150 330 180 0 0 -25 -10 30 210 60 240 90270 120 300 150 330 180 0 0

24 Johan Malmström 14 april 2003 24 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

25 Johan Malmström 14 april 2003 25 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 0 5000 10000 0 5000 10000 east (m) north (m) 5 7 9 11 18 21 26 28 29 EASTWEST NORTH SOUTH 100200300400500 0 5 10 15 20 25 30 Satellitnumber Tid (s) Satellit- bortfall Satellitbortfall Totalt satellitbortfall efter 7 minuter. Bortfallet varar i 2 minuter.

26 Johan Malmström 14 april 2003 26 Jämförelse INS och INS/GPS, positionsfel 0123456789 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Tid (minuter) Positionsestimeringsfel (m) Ostöttad INS INS stöttad av GPS Satellit- bortfall

27 Johan Malmström 14 april 2003 27 Jämförelse INS och INS/GPS, biasestimat GyroAccelerometer Estimeringen av bias förbättrar prestandan även under satellitbortfall då GPS inte kan användas. 0246810 -8 -6 -4 -2 0 2 4 x 10 -5 Tid (minuter) Estimeringsfel av Gyro-bias Roll Pitch Turn Satellit- bortfall 0246810 -4 -3.5 -3 -2.5 -2 -1.5 -0.5 0 0.5 1 x 10 -3 Tid (minuter) Estimeringsfel av acc-bias Forward Right Down Satellit- bortfall

28 Johan Malmström 14 april 2003 28 Lobformning, olika antal antennelement 2x23x3 4x45x5

29 Johan Malmström 14 april 2003 29 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

30 Johan Malmström 14 april 2003 30 Störscenario, lobformningsalgoritm Tre olika typer av LCMV-algoritmen: –En lobformare med flera bivillkor –En lobformare utan bivillkor –Multipla lobformare med ett bivillkor vardera

31 Johan Malmström 14 april 2003 31 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

32 Johan Malmström 14 april 2003 32 Störscenario, MV utan bivillkor SNR-förbättring 47 dB i medel –Många korta satellitbortfall +Behöver inga bivillkor

33 Johan Malmström 14 april 2003 33 Störscenario, multipla LCMV-lobformare SNR-förbättring 65 dB i medel +Bäst SNR –Kräver parallella mottagare

34 Johan Malmström 14 april 2003 34 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

35 Johan Malmström 14 april 2003 35 Frågor?

36 Johan Malmström 14 april 2003 36 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.

37 Johan Malmström 14 april 2003 37