Позиционирование транспортных средств с комплексированием дальномерных, угломерных и инерциальных измерений в расширенном фильтре Калмана

Настоящая работа посвящена исследованию моделей и методов повышения точности позиционирования в сверхплотных сетях радиодоступа V2X/5G при маневрах транспортных средств за счет комплексирования дальномерных и угломерных первичных измерений с измерениями инерциальных навигационных систем в расширенном фильтре Калмана. Бортовая бесплатформенная инерциальная навигационная система представлена модулями трехосевого акселерометра и гироскопа. Интеграция первичных инерциальных измерений ускорения и угловой скорости с первичными радиотехническими измерениями угла и времени прихода сигнала осуществляются путем преобразования инерциальной системы координат акселерометра и гироскопа в связанную систему координат транспортного средства с использованием кватернионов. Вторичная обработка инерциальных  и радиотехнических измерений  осуществляется в расширенном фильтре Калмана. Результаты комплексирования показывают повышение точности оценки траектории транспортного средства с нескольких метров до одного метра при повороте на перекрестке.

1. Фокин Г.А. Технологии сетевого позиционирования: монография. СПб.: СПбГУТ, 2020. 558 с.

2. Фокин Г.А., Кучерявый А.Е. Сетевое позиционирование в экосистеме 5G // Электросвязь. 2020. № 9. С. 51‒58. DOI:10.34832/ELSV.2020.10.9.006

3. Киреев А.В., Фокин Г.А. Позиционирование объектов в сетях LTE посредством измерения времени прохождения сигналов // Труды учебных заведений связи. 2016. Том 2. № 1. С. 68‒72.

4. Киреев А.В., Фокин Г.А. Пеленгация источников радиоизлучения LTE мобильным пунктом радиоконтроля с круговой антенной решеткой // Труды Научно-исследовательского института радио. 2015. № 2. С. 68‒71.

5. Sivers M., Fokin G., Dmitriev P., Kireev A., Volgushev D., Al-Odhari A. Indoor Positioning in WiFi and NanoLOC Networks // Proceedings of the 16th International on Next Generation Wired/Wireless Networking (NEW2AN 2016) and 9th Conference on Conference on Internet of Things and Smart Spaces (ruSMART 2016), St. Petersburg, Russia, 26–28 September 2016. Lecture Notes in Computer Science. Cham: Springer, 2016. Vol. 9870. PP. 465–476. DOI:10.1007/978-3-319-46301-8_39

6. Sivers M., Fokin G., Dmitriev P., Kireev A., Volgushev D., Al-odhari A.H.A. Wi-Fi Based Indoor Positioning System Using Inertial Measurements // Proceedings of the 17th International Conference on International Conference on Next Generation Wired/Wireless Networking (NEW2AN 2017), 10th Conference on Conference on Internet of Things and Smart Spaces (ruSMART 2017), Third Workshop on International Workshop on Nano-scale Computing and Communications (NsCC 2017), St. Petersburg, Russia, 28–30 August 2017. Lecture Notes in Computer Science. Cham: Springer, 2017. Vol. 10531. PP. 734‒744. DOI:10.1007/978-3-319-67380-6_69

7. Киреев А.В., Фокин Г.А. Оценка точности локального позиционирования мобильных устройств с помощью радиокарт и инерциальной навигационной системы // Труды учебных заведений связи. 2017. Том 3. № 4. С. 54–62.

8. Духовницкий О.Г., Рагило М.А., Сиверс М.А., Фокин Г.А. Применение фильтра Калмана в задачах позиционирования // Электросвязь. 2016. № 1. С. 78–81.

9. Фокин Г.А., Владыко А.Г. Позиционирование транспортных средств в сверхплотных сетях радиодоступа V2X/5G с использованием расширенного фильтра Калмана // Труды учебных заведений связи. 2020. Т. 6. № 4. С. 45‒59. DOI:10.31854/1813-324X-2020-6-4-45-59

10. Kalman R.E. A New Approach to Linear Filtering and Prediction Problems // Journal of Basic Engineering. 1960. Vol. 82. Iss. 1. PP. 35–45. DOI:10.1115/1.3662552

11. Фомин В.Н. Рекуррентное оценивание и адаптивная фильтрация. М.: Наука, 1984. 286 с.

12. Балакришнан А.В. Теория фильтрации Калмана. М.: Мир, 1988. 168 с.

13. Эльясберг П.Е. Определение движения по результатам измерений. М.: Наука, 1976. 416 с.

14. Браммер К., Зиффлинг Г. Фильтр Калмана-Бьюси. Детерминированное наблюдение и стохастическая фильтрация. М.: Наука, 1982. 200 с.

15. Ройтенберг Я.Н. Автоматическое управление. М.: Наука, 1992. 576 с.

16. Кузовков H.Т., Салычев О. С. Инерциальная навигация и оптимальная фильтрация. М.: Машиностроение, 1982. 216 с.

17. Андреев В.Д. Теория инерциальной навигации. Корректируемые системы. М.: Наука, 1967. 648 с.

18. Мак-Клур К.Л. Теория инерциальной навигации. М.: Наука, 1964. 300 с.

19. Ишлинский А.Ю. Ориентация, гироскопы и инерциальная навигация. М.: Наука, 1976. 670 с.

20. Горенштейн Н.А., Шульман И.А., Сафарян А.С. Инерциальная навигация. М.: Советское радио, 1962. 248 с.

21. Доннел О. Инерциальная навигация. Анализ и проектирование. М.: Наука, 1969. 592 с.

22. Васильев П.В., Мелешко А.В., Пятков В.В. Повышение точности корректируемой инерциальной навигационной системы // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2014. Т. 57. № 12. С. 15–21.

23. Трефилов П.М. Сравнительный анализ улучшения точностных характеристик инерциальных навигационных систем // XIII Всероссийское совещание по проблемам управления ВСПУ-2019 (Москва, 17–20 июня 2019). М.: Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН, 2019. С. 470‒474. DOI:10.25728/vspu.2019.0470

24. Munguía R. A GPS-aided Inertial Navigation System in Direct Configuration // Journal of Applied Research and Technology. 2014. Vol. 12. Iss. 4. PP. 803‒814.

25. Lai Q., Yuan H., Wei D., Wang N., Li Z., Ji X. A Multi-Sensor Tight Fusion Method Designed for Vehicle Navigation // Sensors. 2020. Vol. 20. Iss. 9. P. 2551. DOI:10.3390/s20092551

26. Zhao F., van Wachem B.G.M. A novel Quaternion integration approach for describing the behaviour of non-spherical particles // Acta Mechanica. 2013. Vol. 224. PP. 3091–3109. DOI:10.1007/s00707-013-0914-2

27. Chen X., Song S., Xing J. A ToA/IMU indoor positioning system by extended Kalman filter, particle filter and MAP algorithms // Proceedings of the 27th Annual International Symposium on Personal, Indoor, and Mobile Radio Communications (PIMRC, Valencia, Spain, 4‒8 September 2016). IEEE, 2016. DOI:10.1109/PIMRC.2016.7794980

28. Chen Xc., Chu S., Li F., Li F., Chu G. Hybrid ToA and IMU indoor localization system by various algorithms // Journal of Central South University. 2019. Vol. 26. PP. 2281–2294. DOI:10.1007/s11771-019-4173-9

29. Lategahn J., Müller M., Röhrig C. Extended Kalman filter for a low cost TDoA/IMU pedestrian localization system // Proceedings of the 11th Workshop on Positioning, Navigation and Communication (WPNC, Dresden, Germany, 12‒13 March 2014). IEEE, 2014. DOI:10.1109/WPNC.2014.6843307

30. Sensor Fusion and Tracking Toolbox™ Getting Started Guide. MathWorks. 2018. URL: https://www.mathworks.com/ help/releases/R2020b/pdf_doc/fusion/fusion_gs.pdf (дата обращения 30.06.2021)

31. Estimate pose with nonholonomic constraints. MathWorks. 2021. URL: https://www.mathworks.com/help/fusion/ref/ insfilternonholonomic.html (дата обращения 30.06.2021)

32. Orientation, Position, and Coordinate. MathWorks. 2021. URL: https://www.mathworks.com/help/fusion/gs/spatial- representation-coordinate-systems-and-conventions.html (дата обращения 30.06.2021)

33. Andrle M.S., Crassidis J.L. Geometric Integration of Quaternions // Journal of Guidance Control and Dynamics. 2013. Vol. 36. Iss. 6. PP. 1762‒1767. DOI:10.2514/1.58558

34. Solà J. Quaternion kinematics for the error-state Kalman filter // Preprint arXiv:1711.02508. 2017.

35. Ханукаев Ю.И. Введение в теоретическую механику. М.: МФТИ, 2017. 240 с.

36. Ефремов А.П. Кватернионы: алгебра, геометрия и физические теории // Гиперкомплексные числа в геометрии и физике. 2004. Т. 1. № 1-1. С. 111–127.

37. Гордеев В.Н. Кватернионы и трехмерная геометрия. Киев: Сталь, 2012. 60 c.