Радиосистема локальной навигации

Все более актуальной становится задача координатного обеспечения в условиях отсутствия покрытия радионавигационным полем глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) или недостаточной его точности. В качестве альтернативы ГНСС выступают локальные навигационные системы (ЛНС), которые находят свое применение в решении задач обеспечения высокоточной посадки летательных аппаратов, позиционирования и навигации объектов в закрытых пространствах (в помещениях, тоннелях и под землей) и в условиях плотной городской застройки, а также в условиях помеховой обстановки для ГНСС.

Перспективной для задач локальной навигации является технология сверхширокополосного (СШП, англ. UWB – ultra-wide band) радиостандарта IEEE802.15.4, радиосигналы которой за счет ширины спектра 500 МГц обладают устойчивостью к многолучевому распространению сигнала, а также высокой разрешающей способностью, обеспечивающей возможность оценки времени распространения радиосигналов с точностью на уровне долей наносекунд.

Анализ мирового состояния вопроса построения ЛНС на базе СШП [1] показал, что наибольшее распространение получила системная архитектура, основанная на дальномерных измерениях между СШП приемопередатчиками. Недостатком данного подхода является запросный метод измерения расстояния между объектами (по оценке времени двойного распространения), что накладывает ограничение на число одновременно позиционируемых объектов из-за необходимости введения временного разделения (слоттирования) радиообмена между объектами. Увеличение числа объектов приводит к снижению темпа обновления навигационной информации, что является критичным для ряда задач (навигации динамичных объектов).

В данной работе представлена беззапросная разностно-дальномерная ЛНС на базе СШП, которая состоит из опорных точек (ОТ) и навигационных модулей (НМ). Инфраструктуру ЛНС составляют ОТ, располагаемые по периметру рабочей зоны в точках с заранее известными координатами в заданной локальной системе координат. Целевые объекты оснащаются НМ, которые принимают радиосигналы ОТ, решают навигационную задачу «на борту» и передают данные оценок собственных координат в бортовой вычислитель по UART.

В представленной беззапросной архитектуре [2] ОТ являются активными, а НМ — пассивными, что обеспечивает неограниченное число потребителей в рабочей зоне ЛНС. Синхронизация ОТ обеспечивается беспроводным образом за счет передачи СШП синхронизационных радиосигналов от ведущей ОТ к ведомым [3]. Минимальное число ОТ для двумерного позиционирования НМ равно четырем. Для случая трехмерного позиционирования требуется большее число ОТ и их разнесение по высоте. Рекомендуемое размещение ОТ — в вершинах параллелепипеда, ограничивающего рабочую зону ЛНС.

Технические характеристики представленной в работе ЛНС:

• точность определения координат объектов менее 10 см;
• темп выдачи навигационного решения на НМ – до 40 Гц;
• 2D/3D режимы позиционирования;
• неограниченное число потребителей;
• дальность действия – 300 метров: ЛНС с инфраструктурой из 4 ОТ, расположенных в вершинах квадрата, покрывает радионавигационным полем площадь порядка 90 тыс. кв. м. Увеличение площади покрытия возможно путем масштабирования сотовым методом.

Литература

1) Zafari F., Gkelias A., Leung K. K. A survey of indoor localization sys-tems and technologies // IEEE Communications Surveys & Tutorials. 2019. Vol. 21, no. 3. P. 2568–2599.

2) Malyshev A., Chugunov A., Chernyh S. Investigation of a novel ar-chitecture for a one-way ranging UWB local navigation system // 2024 International Russian Smart Industry Conference (SmartIndustryCon), Sochi, Russian Federation, 2024. 2024. P. 333–338.

3) Malyshev A. P., Chugunov A. A., Petukhov N. I., et al. Experimental study of the influence of anchors synchronization on the local navigation system performance // 2024 6th International Youth Conference on Radio Electronics, Electrical and Power Engineering (REEPE), Moscow, Russian Federation, 2024. 2024. P. 1–5.