NovAtel滑翔衣跳伞飞行

NovAtel滑翔衣跳伞飞行

高飞

2011年,在一次机缘巧合下,我们有机会在高动态环境下测试OEM615 GNSS接收机,令人兴奋不已。正当NovAtel工程师完成OEM615(由NovAtel开发的最小尺寸,双系统/双频测绘级接收机)的开发之际, – NovAtel应用程序工程师Andrew Levson开发也在着手他自己的爱好——滑翔跳伞运动。通过定义并设置加拿大距离飞行和编队飞行的新记录,Andrew想到了寻求和确认这些潜在记录的方法。自然地,他倾向了他所熟悉的技术方案:GNSS!

经过数月的准备和规划,在NovAtel精英团队的支持下,Andrew于2011年8月2日展开了为期一天的滑翔飞行。此次飞行的主要目的在于验证NovAtel OEM615接收机和ALIGN®航向技术是否能够在最严峻的环境下提供准确的定位、航向和速度测量。

我们很高兴与您分享此次滑翔飞行项目。

姿态测定和ALIGN™

GNSS技术以不同方式测定姿态或轨迹。最简单的方法在于测量单个接收机的速度,并将该航线的矢量作为载体的航向。这一方法适用于仅在单个轴线上运动的载体(前提是按规矩运行)上,无论是绝对的(如火车),或是相对的(如汽车),那么这一方法即可适用。在这些情况下,姿态与速度关系密切(至少是在两个维度上)。然而,在复杂的动态环境中,或者当载体速度过低,致使测量不确定性足以影响有用信号时,这一技术就难以准确测量载体姿态。因此,实用的姿态测定系统还需要额外安装一个传感器。

SPAN GNSS/INS解决方案

GNSS接收机可以与惯性测量单元(IMUs) 紧密集成,形成一个紧凑型GNSS/INS(GNSS惯性导航系统)。在这些系统中,惯性测量单元可快速测量角位移和加速度,从而确保GNSS定位的精确性。GNSS/惯性导航系统充分发挥了每个系统的优势,从而为各种应用提供准确、连续的解算,包括高动态、高频GNSS信号中断以及其他操作和环境因素。然而,在特定应用中,GNSS惯性导航系统的部分功能却需要克服一些挑战。其中一个挑战在于:惯性测量单元相对于GNSS天线的位置必须是固定的且明确的。在刚性物体上,这并不成问题。但是,如果在独立运动的物体上(如跳伞者),这就构成了一大挑战。

MULTI-GNSS姿态

在能见度良好的环境中,另一个解决方案是在载体或人体的不同部位上安装多个装有天线的GNSS接收机。通过对独立点航向的集合分析,我们可以得出姿态信息。使用两个接收机即可测量两个姿态维度(如纵倾角和方位角);使用三个接收机则可确定三个姿态维度信息。GNSS姿态系统的精确性取决于天线阵的几何形状、测量精确度和基线计算基数。假设天线的方向和位置能够保证天线阵具备良好的几何形状,那么GNSS姿态系统的性能就由基线计算基数的精确度确定。最简单的基线计算方法是使用两条天线同时报告位置,然后测算它们之间的矢量。角度和基线的准确性在一方面有赖于天线之间的空间(角度测算有利于延长基线),而在另一方面,则与解算本身的精确度有关。最简单的航向精确值估算方法在于将位置误差转换为角度误差。在长基线上(如300米,相当于油罐车或大型油轮的长度),若已知单点RMS精度为1.2米,可根据下述公式计算航向误差:

上述公式并不完全准确,因为它考虑了两个维度的误差,实际上,只有垂直于基线的误差才有用,因此,上述公式只能用来计算数值的“数量级”。如果使用相同方法测量短基线(如10m,相当于小型飞机的翼幅),那么同一航向误差增至近14度。基线越短,误差越大。基线短至一定程度时,矢量可忽略不计。因此,针对短基线,我们需要提高单个解算的精度。若接收机可以在一个双频实时动态RTK模式下,假定接收机与参考基站的距离相对较短,那么单个解算的精度可以提高至一厘米或以上。在这样的精度条件下,我们可以在理论上获取短于一米基线的分度航向精度。事实上,即使接收机与固定基站的距离有所增加,在短基线装置上,由于安装的天线可以准确校正误差,因此航线精度并不会有所降低。然而,若距离基站很远,整周模糊度的可信度就会降低,也就更可能出现影响位置精确度的错误。虽然,双频实时动态RTK的精度对于许多应用而言十分有利,然而这一模式却存在一个显著的缺点:它要求基站是固定的,且基站能够和安装在姿态测定系统上的所有接收机通讯。此外,每台接收机必须与中央处理系统联系,从而减少与姿态矢量的定位。这些通信连接亦或安装极为复杂,亦或完全不可用。

采用ALIGN功能的多GNSS姿态系统

在没有基站的条件下,也可达到RTK级的航向精确度。NovAtel开发了一种基于RTK的“动基站”解决方案,大大简化了多个GNSS接收机航向和基线的确定程序。

与RTK方法类似,“主”接收机(专利设计)定期向一个或多个类似配置的移动站接收机发送相关数据,并同步发送接收机位置。然后,移动站使用固定整数RTK技术计算其相对于主接收机的位置(在信号较差的条件下,我们还提供较略低精确的“浮动”解决方案)。事实上,设备采用传统的RTK模式,对每个历元操作在一个差分基站上。

ALIGN的优势

与之前所述的双频实时动态RTK相比,NovAtel专利设计的优势更加明显。首先,NovAtel显著降低了对基础设施(如基站)和通讯的要求。对仅相对厘米级的定位要求(仅需要相对精确的姿态测量),接收机可以在单点模式下进行操作,而无需基于地面的差分改正。此外,NovAtel系统的计算是在移动站接收机(配备原产固件)上直接完成的,无须使用中央处理器完成该任务。第二个优势对动基站来说并不显明:使用这一解决方案替代双频实时动态RTK解决方案时,航向/基线精确度呈现固有增长。在使用两个接收机的装置中,双频实时动态RTK方法涵盖了两个独立基线(基线 Rx1和基线 Rx2),因此也不可避免地牵扯了各个基线的准确性。在某些情况下,区分两个位置可能使得不准确度成倍增加。因此,在使用两个接收机的装置中按照移动基站模式进行操作,只能够计算单一基线(移动主探测器)。通常,与RTK装置(固定基础探测器)相比,这一解决方案的基线更短。

设备详述:

  • OEM615 接收机体积不到36 cm3,重量轻仅为24 g。
  • 配备ALIGN固件后,可实时精确测量两台接收机的航向角和纵倾角。
  • 电源供应:1.3 A-h 12 V电池
  • 采用两个紧凑型L1/L2 GPS/GLONASS有源天线(直径69 mm;长22 mm;重162 g)。G5Ant-2AMNS1由NovAtel子公司Antcom Corporation生产制造。
  • 我们采用华硕电脑股份公司(ASUSTeK Computer Inc.)的ASUS Eee个人电脑实施数据采集,并使用控制台脚本USB记录数据。

为支持处理分析,我们在降落区设置了SMART-MR10™接收机并采集静态载波相位和伪距数据,用于全天测试(约12小时)。虽然SMART-MR10的主要应用并非基站,但仍然装有同NovAtel测绘级 GPS-700系列天线一样的Pinwheel®天线技术,并配备有全套OEMV-3G接收机(常用于测绘设备)。SMART-MR10集成包设置方便,性能一流。

Cessna 206“跳伞飞机”及其飞行员于2011年8月2日在亚伯达因尼斯费尔(52°04’40” N, 114°01’30” W)开展了全天测试。测试开始时间为上午8点,首先检查基站设置,然后对飞机和跳伞设备进行最后检查。Andrew及其滑翔队员穿着滑翔衣从飞机指定出口跳下,对飞行技术进行了预演,并讨论了当天的详细飞行计划。

Andrew双腿靠近脚踝处捆着两台OEM615接收机,其中一条腿还捆有一个电池组。滑翔衣在Andrew腿上方位置设有一个小口袋,正好可以装下上述设备。Andrew胸前的背包则装有数据采集电脑。

Andrew的两只脚各装有一个双频GPS+GLONASS天线,通过ALIGN 航向记录的横滚和航向输出分别测量Andrew的俯仰角和方位角(航向角)。

在测试当天,我们总共进行了7次试跳,平均间隔为90分钟。间隔期间,我们重新打包降落伞、验证数据完整性,并实施初步数据分析,从而决定是否需要做出相关调整,优化跳伞测试。

后处理和分析

鉴于详尽的配置表中,结合高质量的数据集,我们将实施后处理程序获取更多产品在自由落体环境中的性能信息。这一程序涵盖多个步骤,并使用多种NovAtel工具和技术。具体如下所示:

步骤1:视频时间同步

空中摄影师将拍摄下每一次跳伞。我们设计了一种十分简单的同步方法,将数据与真实动态活动(包括许多重要因素,如下跳本身)联系起来。在飞机起飞,摄影师开始拍摄后,他将拍摄到一系列滑翔衣飞行员的动作影像。Andrew Levson按下数据采集个人电脑上的按键,在GPS数据上留下一个时间标记。此时,数据采集个人电脑输出一个明显的视觉提示(颜色发生变化),然后在后处理分析中通过GPS时间标记进行相关校正。在下落过程中,摄像机继续拍摄,并从同步标志时间起开始测量。通过这一简单方法,我们可以根据动态显著变化校正多个视频数据。

步骤2:基站坐标

测试当天,因尼斯费尔机场的静态基站执行了约12个小时的数据采集工作。为了将基站作为单个跳伞活动的参考站,我们必须尽可能精确地确定基站的坐标。我们在PPP(精密单点定位)模式下使用GrafNav,评估下载的精密卫星星历表和时钟信息,从而测算基站位置。通过长时间(12小时)采集的数据集和精确的后处理信息,估计的基站坐标可精确到约两厘米以上(基于解算标准偏差)。考虑到这一估算值为两个“数量级”,优于单点精度,因此,我们可以认为基站坐标的精度足以确保其作为进一步后处理的参考位置。

步骤3:航空“真实”轨迹

在滑翔衣应用中,我们缺乏用于比较的“真实数据”。为确保估值尽可能准确,我们对机载接收机(20赫兹)在不同GrafNav模式下采集的原始数据进行了处理。本软件采取与实时动态RTK类似的方法解决了载波相位问题,但是它处理了正向和反向数据,从而改善了中断过程中的模糊度解算。通过GrafNav,在绝大部分飞行中,我们可确保接收机达到厘米级的精度(除受数据终端限制外)。显然,用于获取GrafNav“真实数据”的原始数据与用于生成实时单点解算的数据相同,因此,两个轨迹从根本上而言是相关的。然而,由于GrafNav解算采用了固定基站数据,我们可以检查并避免数据中出现明显错误。有基于此,我们有理由相信这些具备整周模糊度的GrafNav解算已经校正至两厘米的精度范围内。然而,基线位置的不确定性(±2厘米)仍然是一个问题。

“真实”航向/俯仰角

与单点位置一样,我们也缺乏接收机至接收机航向和俯仰角的真实数据。然而,我们有两种方法获取“真实”航向/.俯仰角的半独立估值。第一个方法在于使用后处理GrafNav解算的差值(如前文所述)。理论上,这与计算在RTK模式下操作的两个接收机的航向类似(通过相关准确性计算)。第二种方法是使用GrafMov软件计算两个机载接收机移动基线解,方法与ALIGN本身的操作方式类似。由于软件增加了正向和反向处理功能以及独立的引擎,我们更加坚信软件具备识别明显错误的能力。除了GrafMov/GrafNav ALIGN计算外,我们还对用于ALIGN实时解算完整性检查的数据做了进一步限制。通过安装在Andrew脚踝上的天线,在自由落体过程中,两个天线间的基线距离长度被固定在约90厘米以内(受滑翔衣影响)。有鉴于此,当基线长度长于90厘米时,我们可以很容易地辨别ALIGN解算的明显错误。因此,即使我们的操作没有真实的“固定”基线,然而根据物理参数,我们仍然能够获取绝对限制值,用以检查产品性能。

ALIGN实时测量vsGrafMov和GrafNav后处理结果下表比较了跳伞者实时航向结果和采用两种不同后处理方法得出的结果。GrafMov航向(绿色数据点)是通过独立处理引擎(实时ALIGN固件所采用的)实施正向和反向数据处理而获得的。GrafNav(蓝色数据点)显示了通过正向和反向数据处理计算的两种RTK轨迹,其中,航向是根据右脚踝RTK位置和左脚踝RTK位置计算得出的。与计算相对航线相比,本方法的数据精确度较差。

我们将对卡尔加里(Calgary)测试当天采集的数据进行后处理和分析。我们可从单个天线获取轨迹和速度信息,并通过天线对获取航向、俯仰和基线解算。我们比较了GrafNav和GrafMov的正向和反向后处理实时方案(Waypoint系列产品中的NovAtel产品),并检验NovAtel系统的以下输出。

从单个天线可获取以下信息:

  • 位置(纬度、经度和高度)
  • 速度(水平2D速度、垂直和3D速度)

3D模型展现了ALIGN Master接收机轨迹的实时记录。跳伞前,滑翔阶段的平均垂直降落速度约为83.8英里/小时。跳伞时,由于Andrew方向发生变化导致天线指向地面,因此有近两秒的信号丢失。

Wingsuit ALIGN Master接收机速度vs时间(下图左上角):下图显示了ALIGN Master接收机的2D速度、垂直速度和水平速度。跳伞后,平均垂直降落速度约为18.6英里/小时。

从一对天线可获取以下信息:

  • 航向
  • 俯仰角
  • 基线长度

WingsuitALIGN航向实时测量vsGrafMov后处理航向测量(下图右上角):下图显示了ALIGN和Master 3D模型测量结果完全吻合。过滤数据,在固定模糊模式下显示ALIGN性能。ALIGN固定模糊数据出现在起跳后15秒,并在跳伞期间中断了11秒。受到滑翔衣及其几何形状的影响,ALIGN的轨迹向跳伞人员航向右侧偏移。

Wingsuit ALIGN 横滚角实时测量vsGrafMov后处理横滚角测量(下图左下角):下图显示了ALIGN 与GrafMov测量结果完全吻合。183-187秒期间,横滚角倾角很大,便于拍摄伞衣。

Wingsuit ALIGN基线实时测量vsGrafMov后处理基线测量(下图右下角):下图显示了在降落过程中,Andrew双膝距离有所变化,从35cm至 85cm不等。

上述数据表明实时测量结果和后处理数据结果十分接近。查看分析标签,了解更多信息。

作为GNSS精确定位技术的OEM设备供应商,我们旨在向客户提供最可靠、最稳健和最高性能的解决方案。虽然我们不直接参与最终用户应用程序的开发,但滑翔项目中却采用了很多我公司开发的技术,对此,我们感到十分高兴。部分实例如下所示:

体育应用,如滑翔竞赛:

  • 大型集体编队飞行:集体编队飞行的世界纪录依赖于飞行者对队列的精确定位。目前,人们是通过拍摄编队照片并在照片上平铺网格来评估集体跳伞的质量。飞行者必须在网格菱形状单元格边界的特定范围内飞行。如果编队阵列过大,难以保证每个人都位于指定的网格内。配备报警功能的实时GNSS设备有助于确保飞行者在特定区域内飞行。
  • 长距离飞行:无论飞行者是在机舱内或在跳伞过程中,GNSS均可实施精确追踪,并计算自由下降的距离(不含伞冠下降距离)。

生命安全保障应用:如搜救、援救或消防:

GNSS技术可显著提高高安全性活动的灵活性和效率。通过点对点相对测向技术,第一名营救人员离开飞机时即可引导其他人员降落至最初确定的着陆点,而无需将数据送发送至基站,再指导团队成员降落到预先指定的位置。GNSS技术节约了时间和金钱甚至挽救了生命。

无人驾驶飞行器(UAVs):

目前已经有许多UAV集成商开始在精确定位和姿态测量中采用NovAtel GNSS接收机。然而,ALIGN航向解算构成了避免空中冲突和减少冲撞的系统,更适合管理大量的无人驾驶飞行器。

空投系统:

想象一下这样一个场景,车辆、食物、军火,诸如此类的自组装包能够高效有序地安全着陆。然而,配备的相对定位系统,货物集装箱可在降落伞降落时自动将产品分类排列。因此,机组人员无需再在飞机上完成分类。

Photo by Dave Lundquist