Enge Kopplung von GNSS und IMU - warum ist das wichtig?
Die Fahrzeugerprobung verlagert sich immer mehr vom Prüfgelände auf die öffentliche Straße. Da Robotaxis sich in dichten städtischen Umgebungen zurechtfinden müssen und OEMs und Tier 1s ADAS-Sensoren und -Systeme auf städtischen und ländlichen Straßen überprüfen müssen, ist die genaue Lokalisierung zu einem der wichtigsten Probleme bei Fahrzeugtests auf offener Straße geworden.
Unter freiem Himmel ist es für einen modernen GNSS-Empfänger recht einfach, eine Genauigkeit im Zentimeterbereich zu erreichen. Dies gilt insbesondere, wenn eine Basisstation oder ähnliches für Korrekturen verwendet wird. Es kann jedoch schwierig werden, eine genaue Positionsbestimmung beizubehalten, wenn der Himmel teilweise verdunkelt ist. Gebäude, Bäume, Brücken und andere Hindernisse können daher bei Tests auf offener Straße problematisch sein.
Mehrpfadige
Ein weiteres Problem, insbesondere in städtischen Gebieten, ist die Tendenz, dass Satellitensignale vollständig blockiert oder durch Gebäude abgelenkt werden. Die reflektierten "Mehrwege"-Signale können erhebliche Fehler in den Pseudo-Entfernungsberechnungen verursachen und so zu Fehlern in den Positionsangaben führen.
Eine Möglichkeit, dieses Problem zu umgehen, besteht darin, einfach mehr Satelliten zu verfolgen. Die kürzlich hinzugekommenen BeiDou- und Galileo-Satelliten Das bedeutet, dass GNSS-Empfänger, die diese zusätzlichen Satelliten verfolgen können, einen erheblichen Vorteil gegenüber älteren Empfängern haben, die nur GPS und GLONASS verfolgen können. Wenn ein Empfänger vier Satelliten verfolgt und einer über ein reflektiertes Signal verfügbar ist, muss der Empfänger dieses schlechte Signal nutzen. Er müsste also eine falsche Position berechnen. Oder er verwirft das Signal - und kann aus den verbleibenden drei Satelliten überhaupt keine Position berechnen.
Wenn der Empfänger stattdessen in der Lage war, zehn Satelliten einschließlich eines reflektierten Signals zu verfolgen, können die Daten der anderen neun Satelliten für den Empfänger ausreichen, um den Fehler des zehnten zu erkennen und ihn zu verwerfen. Selbst wenn Mehrwegeffekte keine Rolle spielen, ist es bei teilweise verdecktem Himmel viel einfacher, die Mindestanzahl an Satelliten (vier für den SPS-Modus bzw. sechs für RTK) im Auge zu behalten, da einfach mehr Satelliten in einem beliebigen Himmelsbereich verfolgt werden können.
Eine andere Lösung?
Eine andere Möglichkeit, dieses Problem zu umgehen, ist die enge Kopplung von GNSS und IMU. Sobald eine erste Positionsbestimmung erfolgt ist, kann die IMU zur Einschränkung anderer gültiger Satellitenlösungen verwendet werden. Dadurch wird sichergestellt, dass so weit wie möglich nur direkte Signale verwendet und Mehrweg-Signale verworfen werden.
Wie funktioniert das Tight-Coupling?
Stellen Sie sich zum Beispiel ein Fahrzeug vor, das sich vor einem großen gläsernen Gebäude bewegt. Dabei werden die verfolgten Satellitensignale zunächst direkt empfangen und die Position ist bekannt. Mit Hilfe der Koppelnavigation der IMU (zuzüglich eines gewissen Fehlers zur Berücksichtigung der IMU-Drift) kann eine "wahrscheinlichste" Position des Fahrzeugs berechnet werden. Wenn das Signal dann über eine Seite des Gebäudes empfangen wird, liegt die berechnete Position aufgrund dieses "Mehrwegefehlers" außerhalb dieser wahrscheinlichsten Position, so dass dieses schlechte Signal verworfen werden kann.
Auch wenn vier Satelliten für eine Positionsbestimmung erforderlich sind (und mindestens sechs für RTK), können einzelne Satelliten dennoch nützliche Positionsdaten liefern, die die IMU-Drift verringern können. Diese "Einzelsatellitenhilfe" kann zur Positionserhaltung verwendet werden, wenn drei oder weniger Satelliten verfügbar sind, und hilft auch bei der "Trägheitsverriegelung", bei der die RTK-Verriegelung nach dem Unterqueren eines Hindernisses wie einer Brücke oder eines Tunnels schneller erreicht werden kann.
Diese beiden Arten der engen Kopplung nennen wir gx und ix. Zusammengenommen hat die enge Kopplung von gx/ix einen erheblichen Vorteil gegenüber einem lose gekoppelten System in dichten städtischen Umgebungen, in denen Mehrwegeffekte und verdeckter Himmel häufiger vorkommen.
OxTS hat vor kurzem seine gx/ix Tight Coupling auf alle vier Konstellationen gebracht, um Ihnen die beste der beiden möglichen Lösungen zu bieten. Um dies zu testen, wurde eine Fahrt durch das Zentrum von London durchgeführt. Diese Fahrt führte durch Tunnel und dichte Straßenschluchten (siehe unten).
Die während der Fahrt gesammelten Daten wurden in verschiedenen Positionsmodi nachbearbeitet:
- Empfängermodus, bei dem der GNSS-Empfänger die Position aus den verfügbaren Satelliten berechnet (lose gekoppelt)
- gx/ix eng gekoppelter Modus mit Verfolgung aller vier Konstellationen
- gemischter Modus, bei dem sowohl der Empfängermodus als auch gx/ix in Kombination verwendet werden, um das Beste von beidem zu bieten
In der Londoner Innenstadt - einer dichten, einspurigen Straßenschlucht, die auf allen Seiten von hohen, gläsernen Gebäuden umgeben ist - konnte selbst ein INS, das alle vier Konstellationen verfolgt (in Abbildung 3 durch die grüne Linie gekennzeichnet), keine zuverlässige Positionsbestimmung beibehalten. Auf der in den Abbildungen 1 und 2 gezeigten Straße (neben dem Gherkin-Gebäude) war das lose gekoppelte System bei der Positionsbestimmung oft auf die Koppelnavigation der IMU angewiesen, und zu anderen Zeiten kam es aufgrund von Mehrwegeffekten zu großen Sprüngen in der Position.
Bei der Verarbeitung im gemischten Modus (gekennzeichnet durch die rote Linie unten) können Sie sehen, dass die Position selbst in diesem schwierigen Abschnitt die Spurgenauigkeit beibehielt und weniger als einen Meter Fehler berechnet wurde. Zum Vergleich: Im Empfängermodus wurden im Durchschnitt mehr als eineinhalb Meter Fehler berechnet (und in diesem speziellen Abschnitt sogar noch mehr). Der gemischte Modus mit der engen Kopplung von quad gx/ix bietet daher das Beste aus beiden Welten und kann selbst in den schwierigsten Gebieten genaue Daten liefern.
Erfahren Sie mehr über OxTS gx/ix™ Dichtkupplungstechnologie
Wie kann ich gx/ix nutzen und eine bessere Position unter schwierigen GNSS-Bedingungen erhalten?
Gx/ix ist als zusätzliche Funktion innerhalb von OxTS NAVsuite verfügbar. NAVsuite ist die kostenlose Software-Suite von OxTS, die Kfz-Prüfingenieuren und Vermessungsingenieuren die Werkzeuge an die Hand gibt, die sie für die Konfiguration, Überwachung, Nachbearbeitung und Analyse ihrer INS-Daten benötigen. So wird sichergestellt, dass sie die bestmöglichen Daten produzieren.
Prüfingenieure in der Automobilindustrie nutzen das Flaggschiff RT3000 INS zur genauen Lokalisierung und für bodennahe Messungen, während Vermessungsingenieure die Survey+ und xNAV650 für Lokalisierungs- und Georeferenzierungsanwendungen verwenden.
Durch die Aktivierung von gx/ix auf OxTS INS-Geräten wird die Positionsgenauigkeit bei schwierigen GNSS-Bedingungen verbessert.
Benötigen Sie eine genaue Position in schwierigen GNSS-Umgebungen für Ihr Fahrzeugtest- oder Vermessungsprojekt? Fordern Sie hier ein Angebot für ein INS und gx/ix an - Angebot anfordern
Robert Gough
Produktingenieur, OxTS
