GNSS 없이 sUAS 탐색

Jan 02, 2024

오늘날 GNSS 경쟁 환경과 다중 센서 융합 기능의 출현으로 인해 GNSS의 도움 없이 탐색할 수 있는 필터에 대한 수요가 있습니다. 이 기사에서는 GNSS 경쟁 환경에서 sUAS 자동 조종 장치를 조종하도록 설계된 보완적인 탐색 필터를 평가합니다.

앤드류 애플겟, 조시아 왓슨, 제레미 그레이, 클라크 테일러, 공군 기술 연구소

GNSS(Global Navigation Satellite System)는 다양한 애플리케이션의 위치 확인 및 타이밍의 표준 소스로 사용되어 해당 기능에 과도하게 의존하고 사용할 수 없을 때 성능이나 상호 운용성이 눈에 띄게 감소했습니다. 위성 항법, 특히 GPS(Global Positioning System)에 대한 새로운 위협으로 인해 GNSS와 함께 또는 GNSS 없이 보완적인 방법(예: 시각, 기회 신호, 자기 이상)을 사용할 수 있는 모듈식 항법 아키텍처의 개발이 필요합니다.

일반적으로 본 연구에서는 소형 무인 항공기 시스템(sUAS)의 모듈식 항법 및 자율성 테스트 베드를 개발하여 이러한 분야의 교차점을 개발, 개선 및 검토하고 실제 비행 테스트를 통해 최첨단 연구를 입증하기 위해 노력하고 있습니다. 이 기사에서는 이 테스트 베드[1]의 개발과 실제 GNSS 신호가 이의를 제기하고 거부된 WSMR(White Sands Missile Range)에서 열린 2021년 PNTAX(위치, 항법 및 타이밍 평가 훈련) 동안의 비행 테스트 결과에 대해 설명합니다. . EKF(Extended Kalman Filter)는 보완 센서 페이로드를 융합하고 자율 비행을 위해 GNSS 거부 상태 추정치를 자동 조종 장치에 제공했습니다. GNSS 측정이 가능하지 않은 동안 두 번의 성공적인 1시간 비행이 달성되었습니다.

sUAS에서 모듈식 내비게이션 및 자율성 테스트 베드를 개발하려면 (a) 보완 센서를 함께 결합하기 위한 추정 필터, (b) 최소한의 수정으로 다양한 센서를 추가할 수 있는 소프트웨어 아키텍처를 포함하여 개발해야 하는 여러 구성 요소가 있습니다. , (c) 거리 측정 라디오, GNSS 및 IMU, 지도 일치 알고리즘을 갖춘 IR 카메라 및 기압계를 포함하여 탐색을 가능하게 하는 보완 센서, (d) 각 센서에 대한 오류 모델, (e) GPS에서 항공기 비행을 위한 항공전자 통합 -거부된 환경 및 (f) 기체 자체.

본 연구의 주요 목적 중 하나는 향후 연구를 위해 재사용 가능한 테스트 베드를 개발하는 것입니다. 이 개념은 구성 요소와 소프트웨어의 지속적인 수정을 요구하며, 이는 MOSA를 채택하고 이를 염두에 두고 설계된 구성 요소를 사용하여 수행할 수 있습니다. MOSA는 시스템 구성 요소 간에 명확하게 정의된 인터페이스를 사용하므로 이러한 인터페이스 요구 사항을 충족하는 모든 구현을 해당 시스템 구성 요소 슬롯에 "플러그인"할 수 있습니다.

최근 몇 년 동안 AFIT(공군기술연구소)의 ANT(자율 및 항법 기술) 센터는 scorpion이라는 모듈러 추정 라이브러리를 개발했습니다. 이 개념은 IS4S에 의해 인계되었으며, IS4S는 이를 C++/Python Navigation Toolkit(NavTK) 라이브러리로 재개발하여 이 연구에 사용했습니다.

소프트웨어 구성 요소의 수와 모듈화의 목적으로 인해 공통 메시지 형식과 전송 계층이 사용되었습니다. ASPN(All Source Positioning and Navigation) 버전 2.2 메시지 표준은 LCM(Lightweight Communications and Marshalling)을 사용하여 직렬화되고 전송되는 모든 탐색 메시지에 사용되었습니다[3]. 각 센서에 대해 센서의 고유 데이터 형식을 ASPN으로 변환하고 이를 LCM 네트워크 버스에 게시하기 위한 드라이버가 개발되었습니다.

이미지 전처리기는 게시된 적외선(IR) 이미지를 사용하여 위치 추정치를 생성하고 게시했습니다. 필터 코드는 전송된 ASPN-LCM 측정값의 압축을 풀고 이를 NavTK 필터에서 지원하는 ASPN-Python 클래스로 변환했습니다. 필터 추정치는 드라이버를 통해 자동 조종 장치에서 사용할 수 있도록 LCM을 통해 게시되었습니다.

LCM은 게시/구독 패턴을 사용하여 네트워크 버스를 통해 통신하므로 이 버스를 통해 전달된 모든 데이터는 나중에 처리하기 위해 쉽게 기록될 수 있습니다. 또한 공통 메시지 형식을 사용한다는 것은 네트워크를 통해 통신할 수 있는 한 애플리케이션을 컨테이너화할 수 있다는 것을 의미했습니다. 이 통신 스키마를 사용하면 시스템의 모듈식 설계가 가능해졌으며, 이는 새로운 구성 요소가 출시되었을 때 쉽게 통합할 수 있다는 점에서 입증되었습니다.