Métodos de navegación a estima en sistemas de posicionamiento de objetos en movimiento.

El principio de funcionamiento de este dispositivo es el siguiente. Los sensores magnéticos miden el vector completo del campo magnético de la Tierra. Sin embargo, para calcular el recorrido no es necesario conocer el vector completo, sino sólo su componente horizontal. Para ello, utilizando un acelerómetro de tres componentes, se determina la dirección vertical en el sistema de coordenadas del instrumento, después de lo cual se calculan la magnitud y la dirección del componente horizontal del campo magnético de la Tierra en relación con el vehículo, es decir, su curso. La eliminación de los errores asociados con las distorsiones del campo magnético terrestre se puede lograr mediante una calibración preliminar del dispositivo, para lo cual basta con tomar lecturas de sensores magnéticos en cuatro posiciones, obtenidas girando el vehículo 90° en el plano horizontal. Posteriormente, a medida que el vehículo se mueve, el dispositivo informático calcula constantemente los parámetros del campo magnético parásito y determina las correcciones que se utilizan al calcular el rumbo.

Al introducir acelerómetros en los sistemas de navegación inercial para automóviles, un problema importante es su miniaturización. Los acelerómetros actualmente conocidos son de tipo piezoresistivo, piezorresistivo y piezoeléctrico. Sin embargo, todavía tienen dimensiones y peso importantes, así como un consumo energético. Una dirección más prometedora puede considerarse la creación de elementos sensibles (SE) de sensores de aceleración basados ​​en el principio de conversión capacitiva utilizando compensación electrostática en materiales de silicio. Los SE desarrollados sobre la base de esta tecnología se denominan micromecánicos. El diseño SE de tipo capacitivo es un condensador diferencial plano con dos placas fijas y un electrodo interno móvil. Estos elementos sensibles se caracterizan por una estabilidad térmica potencialmente alta, estabilidad de las características metrológicas en el tiempo, ausencia de ruido y autocalentamiento. El principio de funcionamiento de un acelerómetro capacitivo se basa en medir la diferencia de capacitancia entre un electrodo móvil y placas fijas. En ausencia de aceleración, los espacios de aire entre el electrodo móvil y las placas fijas son los mismos y, en consecuencia, se mantiene la igualdad de los valores de capacitancia. Cuando se exponen a una aceleración en cualquier dirección, el tamaño de los espacios de aire cambia, lo que resulta en una diferencia en las capacitancias y las corrientes que fluyen a través de estos contenedores. Utilizando un amplificador diferencial, esta diferencia se amplifica y se convierte en un voltaje de salida proporcional al valor de aceleración. Los acelerómetros basados ​​en elementos sensibles capacitivos permiten medir aceleraciones de hasta varias decenas de m/s2, tienen un consumo de corriente del orden de mA y pueden fabricarse en forma de circuitos integrados. Un ejemplo de tales acelerómetros son los circuitos integrados de Analog Devices ADXL150, ADXL250, ADXL202, ADXL202, que son medidores de aceleración de uno y dos componentes. Además de los acelerómetros, los sensores de velocidad angular basados ​​en giroscopios se pueden utilizar como correctores para dispositivos geomagnéticos.. Los giroscopios mecánicos prácticamente no se utilizan en los sistemas de localización de vehículos debido a sus importantes dimensiones y consumo de energía. En los sistemas AVL, es posible utilizar giroscopios láser de fibra óptica. cuyo principio de funcionamiento se basa en el efecto Sagnac. A lo largo de una trayectoria óptica circular, debido a la división del haz, la luz se propaga en dos direcciones opuestas. Si el sistema está en reposo con respecto al espacio inercial, ambos haces de luz se propagan en contrapropagación a lo largo de una trayectoria óptica de la misma longitud, por lo que no hay cambio de fase cuando los haces se combinan en el divisor. Sin embargo, cuando un sistema óptico gira en el espacio inercial, existe una diferencia de fase entre las ondas de luz que es proporcional a la velocidad angular de rotación. También hay información sobre la creación de giroscopios basados ​​en transductores electroquímicos, sensores piezorresonantes girosensibles y transductores capacitivos.

Como ejemplo de un dispositivo de navegación inercial completo y en funcionamiento, podemos considerar un dispositivo de navegación autónomo de tipo geomagnético (ANPGT), presentado por Avtonavigator JSC (Moscú). El funcionamiento de ANPGT se basa en el modelado matemático de las coordenadas actuales de un objeto en movimiento basándose en señales provenientes del sensor de trayectoria, sensores de dirección y sensores de aceleración. El sensor de viaje está conectado al velocímetro y mide la distancia recorrida en metros.

El sensor de dirección (fluxgate) consta de tres sensores de campo magnético ubicados ortogonalmente. A la salida del fluxgate hay una señal analógica, cuya magnitud es proporcional al ángulo de rotación con respecto al meridiano magnético de la Tierra. El sensor de aceleración (acelerómetro) consta de tres sensores de aceleración capacitivos ubicados ortogonalmente. La salida contiene una señal proporcional a la aceleración medida. El sensor se utiliza para eliminar el error fluxgate que se produce debido a la ubicación no horizontal del objeto en relación con la superficie de la Tierra.

Las señales analógicas de los sensores se convierten en digitales y se introducen en un procesador de cálculo de coordenadas (PCP), basado en un microcontrolador INTEL de la serie 296. PVK calcula las coordenadas autónomas del objeto. Para eliminar el error acumulado de coordenadas autónomas, la ANPGT implementa un método de corrección pasiva basado en un mapa vectorial digital de polilíneas de la red vial. La información de los mapas digitales se almacena en un dispositivo de almacenamiento reprogramable. A través de la interfaz RS-232 se pueden transmitir coordenadas precisas al ordenador de navegación de a bordo o a un dispositivo de visualización de la ubicación del vehículo. Las coordenadas exactas se actualizan una vez por segundo.

Los materiales publicitarios de ANPGT indican que el error al determinar las coordenadas autónomas es del 1,2% de la distancia recorrida, y el error al determinar las coordenadas durante la corrección interna utilizando información cartográfica digital no supera los 5 m a pesar del uso significativamente menos frecuente de métodos de navegación a estima en. sistemas Al determinar la ubicación de vehículos en comparación con otros métodos para determinar la ubicación, estos métodos tienen una serie de ventajas.

Por ejemplo, en comparación con los receptores de sistemas de navegación por radio por satélite (SRNS), los dispositivos de navegación inercial no son susceptible a interferencias de radio. Comienzan a funcionar inmediatamente después del encendido (no se necesitan 1 — 2 minutos para descargar información de un satélite, como en SRNS), su área de cobertura es prácticamente ilimitada (no se requiere visibilidad directa de varios satélites), proporciona guía de rumbo y determinación de distancia a puntos de referencia, medición del ángulo direccional. Es evidente que en un futuro próximo los dispositivos de navegación inercial para sistemas de localización de vehículos encontrarán su mayor aplicación no como dispositivos independientes, sino como complemento a los dispositivos de radionavegación por satélite. La integración de receptores SRNS y sensores de dirección y trayectoria aumentará la precisión de la determinación de la ubicación, eliminará las «zonas muertas» y eliminará la pérdida de las secciones iniciales de la ruta del vehículo.