AERIS GNSS-Denied Navigation: визуальная навигация без спутникового позиционирования

Спутниковая навигация стала стандартным источником координат для беспилотных авиационных систем. Однако возможность получить GNSS-сигнал нельзя считать гарантированной: он может быть недоступен в помещении, между зданиями, в сложном рельефе, под плотной растительностью или в других условиях, где приём спутниковых сигналов ухудшается.

AERIS GNSS-Denied Navigation исследует архитектуру, в которой беспилотный аппарат способен продолжать определять собственное движение и положение по данным окружающей среды и бортовых сенсоров, не рассматривая спутниковые координаты как обязательный источник навигации.

Навигация как задача наблюдения за собственным движением

Чтобы двигаться автономно, аппарату недостаточно знать направление полёта. Ему необходимо постоянно оценивать, насколько изменилось его положение, скорость и ориентация относительно предыдущего состояния.

При наличии GNSS часть этой информации можно получать извне. При его отсутствии система должна извлекать её из того, что непосредственно наблюдает сам аппарат.

Основой такого подхода становятся камеры и инерциальные сенсоры. Визуальная система наблюдает изменение окружающей сцены, а инерциальный контур регистрирует движение аппарата между последовательными наблюдениями.

Окружающая среда как навигационный ориентир

Во время движения положение объектов в изображении постоянно меняется. Дороги, здания, границы лесных массивов, элементы рельефа, береговые линии и другие устойчивые особенности сцены создают визуальные ориентиры, по которым можно оценивать перемещение аппарата.

Вместо вопроса «какие координаты передал спутник?» система решает другую задачу: «как изменилось положение аппарата относительно наблюдаемой среды?».

Последовательность таких относительных измерений формирует собственную оценку траектории.

• камера наблюдает изменение сцены во времени;
• устойчивые визуальные признаки связываются между последовательными кадрами;
• по их смещению оценивается движение аппарата;
• инерциальные данные дополняют визуальные наблюдения между кадрами;
• полученная информация объединяется в непрерывную навигационную оценку.

Почему одной камеры недостаточно

Визуальная информация обладает высокой пространственной информативностью, но зависит от окружающей сцены. Резкое изменение освещения, однородная поверхность, туман или недостаток заметных ориентиров способны снизить качество визуальной оценки.

Инерциальная система имеет противоположное свойство. Она способна измерять быстрые изменения движения независимо от изображения, однако при длительном автономном расчёте постепенно накапливает ошибку.

Совместное использование двух источников позволяет компенсировать часть слабых сторон каждого из них. Камеры дают привязку к наблюдаемому миру, а инерциальный контур обеспечивает непрерывность оценки между визуальными наблюдениями.

Visual Odometry и VIO

Один из базовых уровней такой навигации — visual odometry. Система оценивает относительное перемещение аппарата по последовательности изображений и накапливает собственную траекторию.

При объединении визуальных наблюдений с данными инерциальных датчиков формируется visual-inertial odometry. Это позволяет использовать высокочастотную информацию о движении вместе с пространственными признаками окружающей сцены.

Для беспилотного аппарата такой подход особенно важен в динамических режимах, где камера и инерциальная система наблюдают один и тот же процесс совершенно разными способами.

Optical Flow как локальная оценка движения

Для части задач нет необходимости сразу определять глобальное положение на карте. Иногда важнее понимать относительное движение аппарата над поверхностью: смещение, изменение высоты, боковой снос или приближение к объекту.

Optical flow позволяет анализировать движение изображения между последовательными кадрами и использовать его как дополнительный источник информации о перемещении.

Такой режим особенно полезен при полёте на небольшой высоте, удержании положения и работе в среде, где устойчивые глобальные ориентиры отсутствуют.

От относительной траектории к привязке к местности

Visual odometry позволяет оценивать движение относительно предыдущего состояния, но длительное накопление относительных измерений неизбежно приводит к дрейфу.

Поэтому следующий уровень GNSS-denied навигации связан с поиском внешних ориентиров, положение которых можно связать с известной картой или ранее наблюдавшейся местностью.

Такой ориентир не обязательно должен быть искусственным маркером. Им может стать узнаваемая структура поверхности, дорожная сеть, контур береговой линии, характерный объект или сочетание нескольких элементов рельефа.

Когда система уверенно сопоставляет наблюдаемую сцену с известной областью, накопленная траектория может быть скорректирована относительно этой привязки.

Навигация должна знать собственную неопределённость

Для автономной системы недостаточно выдавать координату. Не менее важно понимать, насколько этой оценке можно доверять.

Качество визуальной навигации постоянно меняется. Над хорошо текстурированной местностью система может получать большое количество устойчивых признаков, а через несколько секунд оказаться над однообразной поверхностью, где доступной информации значительно меньше.

Поэтому навигационная система должна отслеживать не только текущее положение, но и качество собственной оценки.

Рост неопределённости становится самостоятельным сигналом для системы управления: аппарат может изменить режим движения, найти более информативную область наблюдения или ограничить выполнение действий, требующих высокой точности позиционирования.

Несколько источников вместо одного

Основной принцип AERIS GNSS-Denied Navigation заключается не в выборе одного «заменителя GPS». Надёжность появляется за счёт объединения нескольких независимых признаков движения.

В зависимости от платформы и условий полёта навигационный контур может использовать:

• визуальное перемещение относительно окружающей сцены;
• инерциальную оценку движения;
• оптический поток;
• оценку расстояния до элементов среды;
• распознаваемые ориентиры;
• сопоставление наблюдаемой местности с ранее известными данными.

Ни один из этих источников не должен рассматриваться как абсолютно надёжный. Система оценивает их совместно и использует доступную информацию в зависимости от текущих условий.

Переход между навигационными режимами

Реальная миссия редко проходит в одинаковых условиях от старта до посадки. Аппарат может начать полёт в открытой местности, затем приблизиться к застройке, пройти участок со слабой визуальной структурой и снова выйти в хорошо наблюдаемое пространство.

Поэтому важным свойством навигационной архитектуры становится способность менять относительный вклад различных источников информации без разрыва общей оценки движения.

Такой подход позволяет рассматривать отсутствие GNSS не как отдельный аварийный режим, а как один из возможных состояний навигационной среды.

Инженерное применение

Навигация без обязательной спутниковой привязки расширяет диапазон условий, в которых автономная система способна сохранять работоспособность.

Практические направления применения включают:

• полёты в районах с ограниченной видимостью спутников;
• работу в сложном рельефе;
• навигацию между зданиями и другими крупными объектами;
• исследовательские полёты над удалёнными территориями;
• полёты внутри крупных сооружений;
• точное локальное перемещение относительно наблюдаемой поверхности;
• продолжение автономной миссии при временной потере GNSS.

Ограничения и инженерные задачи

Визуальная навигация зависит от качества наблюдаемой сцены. Снег, вода, туман, резкие перепады освещения, повторяющиеся структуры и поверхности с небольшим количеством деталей способны существенно усложнить оценку движения.

Кроме того, ошибка относительного позиционирования имеет свойство накапливаться. Поэтому длительная автономная работа требует механизмов периодического уточнения собственного положения и контроля роста неопределённости.

• освещение влияет на стабильность визуальных признаков;
• однородная местность уменьшает количество доступной информации;
• инерциальный контур постепенно накапливает ошибку;
• вибрации платформы влияют на качество изображений и измерений;
• навигационная оценка должна оставаться достаточно быстрой для управления аппаратом в реальном времени.

Подход AERIS

AERIS рассматривает GNSS-denied навигацию не как аварийную замену спутниковой системе, а как самостоятельную способность автономного аппарата воспринимать собственное движение относительно окружающего мира.

Цель исследований — построить навигационную архитектуру, в которой отсутствие внешней координатной опоры не приводит к немедленной потере способности ориентироваться и продолжать миссию.

В такой системе камеры, инерциальные сенсоры и наблюдаемая среда становятся частями единого навигационного контура, а качество полученной оценки учитывается вместе с самой оценкой положения.

Конкретная архитектура объединения сенсоров, алгоритмы оценки состояния и внутренние механизмы навигационного контура являются частью исследовательской разработки AERIS и в публичных материалах не раскрываются.