Mejorando los sistemas de navegación por satélite en vehículos - ANTIJAMMERS

Mejorando los sistemas de navegación
por satélite en vehículos
Artículo técnico escrito por Florian Bousquet, responsable de desarrollo de
mercado de la compañía u-blox sobre cómo mejorar los sistemas de
navegación por satélite a la hora de manejar un vehículo.
Muchos de nosotros nos hemos enfrentado al desafío de usar un navegador
por satélite a bordo del automóvil. Tanto los dispositivos de serie como las
unidades incorporadas por el usuario solían tener sus limitaciones. Algunos
ejemplos nos vienen a la mente, pero lo más evidente era su ausencia de
precisión al circular por zonas urbanas con edificios de gran altura. En los
denominados “cañones urbanos”, los conductores y los pasajeros sufren un
deterioro del campo visual a las constelaciones GNSS y, además, esto se produce
en un momento en el que más se desea contar con una información fiable. Otro
escenario similar tiene lugar cuando se atraviesa un túnel y se pierden los datos
de navegación y hay que esperar un periodo de tiempo para restablecer la
posición correcta tras salir de dicho tramo.
No obstante, las innovaciones en sistemas globales de navegación por satélite
(GNSS) están llegando a la industria del automóvil. Sólo encontrado inicialmente
en coches de gama alta, el concepto conocido como navegación a estima para
vehículos (Automotive Dead Reckoning – ADR) combina datos GNSS con
información de posición recogida directamente por sensores acoplados en el
automóvil y estimación de la velocidad de las ruedas. De esta forma, empleando
una técnica sencilla de dead reckoning, se puede calcular la posición actual en
relación con la última ubicación GNSS. El grado de integración requerido por la
propia red de datos del vehículo es elevado por lo que sólo se puede realizar en
el proceso de fabricación.
Con la promesa de proporcionar un rendimiento mejor que usando únicamente
GNSS y similar al de ADR, pero con un enfoque que elimina la necesidad de
conexión a la red del vehículo, aparece la navegación a estima
sin cables (Untethered Dead Reckoning – UDR). Esta alternativa combina datos
de sensado inercial con datos GNSS, como se observa en el siguiente gráfico.
Figura 1: Concepto básico del Untethered Dead Reckoning (UDR)
Localización instantánea en los sistemas de
navegación por satélite
Un acelerómetro MEMS y un giroscopio MEMS son los elementos utilizados
para ofrecer una medición precisa de la aceleración y las fuerzas angulares y se
combinan con datos GNSS para dotar de una localización instantánea en los
sistemas de navegación por satélite, incluso si la señal se interrumpe o resulta
poco fiable. Al almacenar la última posición conocida del vehículo cuando, por
ejemplo, se encuentra en un aparcamiento de varias plantas o subterráneo,
aporta una capacidad casi inmediata de navegación una vez que el vehículo se
pone de nuevo en marcha. Un ejemplo de la precisión alcanzada por UDR en una
zona urbana rodeada de edificios de altos se puede comprobar en la Figura 2.
Figura 2: Comparación de la navegación con solo GNSS y con UDR gracias a una sencilla antena
montada en el parabrisas del vehículo.
Los resultados de los sistemas de navegación por satélite que ilustran la Figura
2 muestran la comparativa de la precisión entre GNSS y UDR usando una
antena montada en el parabrisas del vehículo. En este test, la precisión
posicional de UDR resulta el triple mejor que GNSS “solo”. Y, con el objetivo de
demostrar las capacidades de UDR bajo condiciones de señal “débil”, se llevó a
cabo otra prueba: esta vez con la antena situada en el interior del coche
(debajo del salpicadero). Los resultados se pueden ver en la Figura 3. A
pesar del inconveniente de tener la antena en el salpicadero, UDR continuó
manteniendo el triple de precisión. Por lo tanto, parece poco aconsejable el uso
de navegación GNSS en solitario.
Figura 3: Comparación de la precisión de GNSS y UDR con la antena en el interior del vehículo.
Ambos test para la localización instantánea se realizaron usando un módulo
UDR de u-blox, el NEO-M8U. Este módulo GNSS compacto (12.2 x 16.0 x 2.4
mm), que incluye los sensores inerciales en su encapsulado, soporta recepción
GNSS multi constelación de GPS, GLONASS, BeiDou y Galileo. Otro módulo
UDR más diminuto, el EVA-M8E, ofrece la misma funcionalidad, pero requiere
sensores de giro y aceleración externos para poder conseguir un diseño más
integrado.
Continúe leyendo sobre los sistemas de navegación por satélite en Mejoras en
la navegación con el sistema UDR Untethered Dead Reckoning
Segunda parte del artículo técnico escrito por Florian Bousquet, responsable
de desarrollo de mercado de la compañía u-blox sobre cómo mejorar los
sistemas de navegación por satélite en vehículos utilizando UDR
Untethered Dead Reckoning.
El enfoque totalmente integrado de un módulo UDR, como el NEO-M8U, ayuda
a lograr la mejor precisión de posición. La Figura 4 ilustra el diseño del M8,
que usa un filtro de Kalman acoplado para respaldar la precisión en la
información de localización del módulo GNSS. El filtro de Kalman, también
conocido como un algoritmo de estimador lineal-cuadrático, sirve para calcular
la ubicación del vehículo en función de una serie de medidas y aporta una
estimación más precisa que si sólo se confía en una única medición de posición.
De esta forma y teniendo el potencial de comprobar cada señal GNSS y de
sensor de un modo diferente se garantiza la máxima precisión 3D. Cuando se
circula en “cañones urbanos”, la incorporación de datos de uno o dos satélites
contribuye a aumentar la precisión de la posición UDR Untethered Dead
Reckoning con respecto a otros enfoques, que conllevarían una disminución de
precisión o la pérdida de la posición.
Figura 4: Enfoque UDR usado por el módulo NEO-M8 de u-blox.
Otra ventaja importante del enfoque de UDR se encuentra en su capacidad para
proporcionar una elevado ratio de refresco (Refresh Rate) de los datos de
posición o una salida de alta ratio de navegación (High Navigation Rate – HNR)
en tiempo real. Si sólo se depende de señales GNSS, se produce una latencia
inherente en el cálculo de la posición. Usando los sistemas GNSS disponibles en
el mercado, se consigue un máximo de 10 composiciones por segundo y
una ratio de refresco de 10 Hz. Esto permitiría reflejar la posición del
vehículo cuando se adquieren los datos del satélite. UDR puede doblar la
ratio de refresco (hasta 20 Hz), ayudando así a mejorar significativamente
la navegación.
Figura 5: Comparación de la alta ratio de navegación en tiempo real entre los enfoques GNSS y
UDR.
La Figura 5 muestra el impacto de la latencia en la navegación en soluciones
con solo GNSS y con UDR (con datos de sensor para complementar los
recibidos de GNSS). Al conseguir una latencia de unos pocos milisegundos, se
responde a las necesidades de aplicaciones de seguridad como sistemas
anticolisión basados en infraestructura V2X y la posición de los vehículos. La
baja latencia y el elevado ratio de navegación son requisitos fundamentales en
aplicaciones V2X, ya que garantizan la capacidad de reacción demandada en
caso de alerta.
Componentes para el sistema UDR Untethered Dead
Reckoning
Los módulos NEO-M8U y EVA-M8E del fabricante u-blox se benefician del flujo
de datos proveniente del giroscopio de tres ejes, del acelerómetro de tres ejes
y del sensor de temperatura (con una ratio de 100 Hz). Esta información se
encuentra disponible a través de la interfaz UART o I2C compatible y podría
utilizarse a la hora de trazar un perfil del comportamiento del conductor (en
servicios de seguros pay-as-you-drive – pague como conduzca) o reconstruir
accidentes.
Cuando se contempla embarcarse en un diseño basado en UDR, los ingenieros
de electrónica de automoción tienen que sondear las capacidades de un
módulo UDR y las herramientas de desarrollo que podrían ayudar en el
proceso de prototipado y, por lo tanto, acortar el tiempo de llegada al mercado.
Las principales consideraciones incluyen el rango de temperatura operativa,
la certificación por parte de los estándares de calidad del sector de la
automoción, como AEC-Q100 y la conformidad con estándares como ISO
16750, que estipulan los extremos de las condiciones que probablemente se
encontrará un vehículo en la carretera. Para poder ofrecer soporte en el
prototipado inicial, se necesitará un kit de evaluación o diseño de
referencia que permita ensayar, por ejemplo, con diferentes posiciones de
antena, evaluar distintas funcionalidades de módulo y visualizar el rendimiento
de GNSS y los sensores.
UDR Untethered Dead Reckoning dota de un nivel de navegación a bordo
del vehículo que no era posible hasta el momento. Aunque se atraviesen
túneles o zonas urbanas con multitud de edificios altos o se estacione en
aparcamientos de varias plantas, UDR proporciona una navegación continua sin
necesidad de unirse a la red del propio coche y mantiene la precisión incluso
después de periodos cortos de pérdida de señal.