Методика початкової азимутальної орієнтації і корегування інерціальної навігаційної системи летального апарату

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ АВІАЦІЙНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Автореферат дисертації на здобуття наукового

ступеня кандидата технічних наук

МЕТОДИКА ПОЧАТКОВОЇ АЗИМУТАЛЬНОЇ ОРІЄНТАЦІЇ І КОРЕГУВАННЯ ІНЕРЦІАЛЬНОЇ НАВІГАЦІЙНОЇ СИСТЕМИ ЛІТАЛЬНОГО АПАРАТУ

Мухаммад Рашик Улла Бейг Мирза

УДК 629.7.05, 681.777.8(048)

Спеціальність 05.13.03 - системи та процеси керування

Київ - 2006

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі геодезії та землевпорядних технологій в Національному авіаційному університеті Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: Парняков Є. С., д-р. техн. наук, проф., професор кафедри геодезії та землевпорядних технологій (Національний авіаційний університет)

Офіційні опоненти: Синєглазов В.М., д-р. техн. наук, проф., директор інституту електроніки і систем управління Національного авіаційного університету, м. Київ;

Чіковані В.В., д-р. техн. наук, начальник відділу ТОО “Инналабс Ю.А.”, м. Київ

Провідна установа: Національний технічний університет України “КПІ” МОН України, м. Київ

Захист відбудеться 27 вересня 2006 р. о 15 год 00 хв. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.062.02 в Національному авіаційному університеті за адресою: 03058, м. Київ, проспект Космонавта Комарова, 1, корпус 1, ауд. 001.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці НАУ (03058, Київ, просп. Космонавта Комарова, 1)

Автореферат розісланий " 23 " серпня 2006 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д26.062.02. канд. техн. наук, доц. Павлова С.В.

Размещено на http://www.allbest.ru/

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

азимутальний інерціальний навігаційний летальний

Актуальність теми дослідження. При виконанні літальним апаратом (ЛА) різних операцій (маневрування, зіткнення, фотографування, дистанційне автоматичне зондування ділянки земної поверхні і т.д.) набуває особливої важливості якість навігаційної інформації. Від неї залежить, наприклад, точкове позиціювання земних об'єктів. Для апаратури дистанційного зондування ділянок земної поверхні основними показниками, які визначають якість навігаційної інформації, є наступні:

- роздільна здатність; межа чутливості; розміри візуального поля бачення; періодичність зондування земної поверхні і ін.

У свою чергу, якість навігаційної інформації залежить від точності початкової азимутальної виставки в, наприклад, - угл.с. похибка точкового позиціювання через один оберт ЛА навколо Землі може бути більше 2 км, а за 10 оборотів - більше 20 км.

Ні автономне гірокомпасування ІНС ЛА, ані азимутальна корекція розташування її вісі чутливості в польоті ЛА при так званій прив'язці до зовнішніх орієнтирів, наприклад, опорних зірок, світил, не можуть компенсувати похибку наземної початкової азимутальної виставки ІНС ЛА.

Комплекси початкової азимутальної орієнтації ЛА відносяться до апаратури точних систем управління і приладобудування. На сучасному етапі їх авіакосмічного розвитку інтенсивно розробляють методи і засоби автоматичного і програмного управління процесами азимутальної виставки, орієнтування, градуювання інерціональної системи навігації (ІНС) ЛА. Серед цих методів і засобів, як відомо, займають важливе місце оптичні автоколімаційні методи і системи їх початкової азимутальної орієнтації. Вони підлягають корінним змінам як по принципам побудови, так і по застосуванню в них нової елементної бази.

Основними недоліками традиційної побудови оптичних автоколімаційних систем початкової азимутальної орієнтації і управління є такі:

- побудовування структурно у вигляді геодезичних слідкуючих оптичних систем для позиціювання об'єктів вони, з одного боку, не працюють для позиціювання об'єкта, який розміщений на вібраційній основі, а з іншого боку, мають порівняно невисоку точність позиціювання об'єкта, оскільки вона обмежена похибкою цих систем у зоні їх нечутливості;

- порівняно малі кутовий і динамічний діапазони функціонування;

- нераціональне і неповне використання інформативних параметрів розташування і руху об'єкта;

- неінваріантність до просторово-частотно-часових збурюючих факторів і ін.

Створення перспективних і удосконалення існуючих систем охоплює широке коло науково-технічних проблем як теоретичного, так і практичного характеру. Структурні і функціональні схеми оптичних автоколімаційних систем азимутальної орієнтації об'єкту піддаються важливим змінам у зв'язку зі створенням високоточних автоколімаційних вимірювачів кутів (АКВК) неузгодженості, які володіють як аналоговими, так і цифровими вихідними сигналами. Використання їх в указаних системах змінює уявлення про принципи побудови, алгоритмічне і програмне забезпечення цих систем. Крім того, АКВК дозволяють знайти компромісне рішення на шляху одночасного підвищення і точності, і швидкодії - двох суперечливих параметрів.

В результаті пошуку цього компромісу системи попередньої (грубої) і остаточної (точної) наземної азимутальної орієнтації і управління ІНС ЛА містять ланки направленої дії структурних схем як автоматичного управління, так і багаторівневих структур автоматичного і програмного управління з використанням цифрових керуючих пристроїв.

Оптичні автоколімаційні системи азимутальної кутової орієнтації ІНС ЛА неперервно удосконалюються в результаті:

- підвищення рівня вимог до основних технічних характеристик автоматичного і програмного управління, орієнтування, наприклад, точності, швидкодії;

- подальшої інтеграції цифрової обчислювальної і управляючої техніки з оптикою, оптико-електронікою, мікроелектронікою, мікропроцесорною технікою і т.д.;

- теоретичного і технічного прогресу в області створення нерозстроюваних у просторі і часі компонентів вказаних систем, оптики тонких покриттів і шарів, скловолокна, світловодів, багатоелементних фоконів, склейок напівпровідникових випромінювачів, фотоприйомних приладів з волоконно-оптичними виробами та ін.;

- використання шарової напівпровідникової техніки, мікроканальної техніки;

- досягнень у спрощенні погодження оптичних, електричних і електронних сигналів, особливо при використанні багатоелементних конструкцій фотоприйомних приладів;

- освоєння нових фізичних явищ: лавинного фотонно-електронного змінення сигналів;

- використання оптичних матеріалів, які дають нові результати для оптичних середовищ з покращеними параметрами або оптико-електронними, оптико-акустичними, поляризаційними та іншими якостями.

Досягнення науково-технічного прогресу по створенню високоточних вказаних систем багато в чому зобов'язані розвитку комбінованих, адаптивних, штучного інтелекту систем, а також систем управління. У галузі покращення оптико-електронних приладів зображуючих інформаційних систем необхідно відмітити:

- підвищення їх технічної ефективності при використанні ЕОМ і мікропроцесорів, інформаційних технологій;

- покращення якості при використанні машинних методів розрахунку і корекції аберацій оптичних систем;

- використання відомих фізичних явищ (повного внутрішнього відбивання, лазерної техніки, поляризації, акустоптики і ін.) для розширення функціональних і можливостей вказаних систем.

В даній дисертаційній роботі досліджені проблеми подальшої перспективної побудови оптичних автоколімаційних систем азимутальної орієнтації ІНС ЛА, тенденції їх розвитку. Відсутність цілісного представлення цих проблем і системного підходу до їх вирішення дають можливість вважати дану роботу актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження, результати яких відображені у дисертаційній роботі, виконувались у відповідності до науково-дослідних робіт, що проводились як у межах аспірантського навчання, так і у межах НДР "Методологія оцінки ефективності та моделювання динамічних систем засобами кібернетики в умовах невизначеності та неповноти вихідних даних" (державний реєстраційний номер 0105v001320 від 15.03.2005.).

Мета та завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення точності початкової азимутальної орієнтації ІНС ЛА. Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити наступні завдання:

- аналіз недоліків та переваг аналогів та прототипу існуючих та перспективних систем початкової азимутальної орієнтації ІНС ЛА;

- виявлення суперечностей, розв'язання їх, що відображає загальну структуру і основні зв'язки між компонентами цих систем;

- формування основних критеріїв оцінки науково-технічної ефективності рішень з вирішення вказаних проблем;

- науково-технічного обґрунтування, створення та дослідження перспективних методів та засобів з підвищеною точністю початкової азимутальної орієнтації ІНС ЛА;

- побудова аналітичної та імітаційної моделей та виконання моделювання процесу початкової азимутальної орієнтації ІНС ЛА.

Об'єкт дослідження - системи та процес початкової азимутальної орієнтації ІНС ЛА.

Предмет дослідження - проблеми поліпшення початкової азимутальної орієнтації ІНС ЛА, апаратурний склад, характеристики і параметри перспективної системи початкової системи азимутальної орієнтації ІНС ЛА.

Методи дослідження:

- аналітичного, математичного, графічного, імітаційного моделювання цих систем як систем автоматичного управління;

- експертної оцінки технічної ефективності;

- дискретної математики з метою візуалізації процесу початкової азимутальної орієнтації ІНС ЛА;

- з загальних позицій системного підходу до досліджень вказаних систем;

- алгоритмічні методи аналізу, синтезу, оптимізації, класифікації цих систем як складних систем автоматичного та програмного управління.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в поглибленні існуючих і побудові нових теоретичних і практичних положень, які стосуються підвищення точності початкової азимутальної орієнтації і корекції ІНС ЛА.

В даній роботі вперше обґрунтовані, розроблені й представлені:

- системний підхід до подання оптико-електронної автоколімаційної слідкуючої системи за моделлю “вхід-стан-вихід”;

- результати досліджень нелінійностей у системах початкової азимутальної орієнтації і корегування ІНС ЛА, вплив нелінійностей на точність азимутального орієнтування, частотні показники якості і показники якості перехідного процесу;

- наукові та практичні положення методики початкової азимутальної орієнтації ИНС ЛА за допомогою запропонованої оптичної зі зворотним зв'язком слідкуючої системи і пристрою для її контролю;

- теоретичні та практичні положення методики імітаційного моделювання вказаної системи й поведінки цієї системи з використанням сучасних інформаційних технологій, наприклад, MatLab 7.01 Simulink, теорії графів, технологій сучасної теорії управління;

- просторово-частотно-часові критерії оцінки якості оптико-електронного автоколімаційного вимірювача;

- результати досліджень використання і оцінки за відповідними критеріями якості в зображуючих приладах вказаної системи нової елементної бази, наприклад, багатоелементних фотоприймачів, волоконно-оптичних елементів тощо.

Обґрунтованість і достовірність наукових результатів підтверджується використання відомих методів дослідження, перевіркою розроблених методів, засобів та методик, імітаційними моделюванням, яке показало, що результати досліджень адекватно відображають ці методи, засоби, процеси початкової азимутальної орієнтації і корегування ІНС ЛА, взаємозв'язок між основними ланками пропонованої оптичної зі зворотним зв'язком слідкуючої системи з позиціювання ІНС ЛА, яка включає послідовно з'єднану нелінійну ланку з зоною нечутливості.

Науково-технічні положення, висновки та рекомендації також обґрунтовані з коректного використання системного підходу з різних точок зору: теорій автоматичного та програмного управління, орієнтування і навігації, дистанційного управління, побудови оптико-електронних систем, геодезії, імітаційного моделювання процесів початкового азимутального орієнтування ІНС ЛА.

Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що:

- на основі створених методик сформовані характеристики та параметри процесу функціонування і контролю оптичної зі зворотним зв'язком слідкуючої системи початкової азимутальної орієнтації ІНС ЛА, яка включає послідовно з'єднану нелінійну ланку із зоною нечутливості;

- існує системний прикладний напрямок досліджень, який практично допоможе підвищувати ефективність та знизити строки розробок подібних систем.

- пропоновані і обґрунтовані патентнозахищені пропозиції побудов відповідної оптичної системи та пристрою для її контролю.

Особистий внесок здобувача. Автором були:

- сформульовані, науково-технічне обґрунтовані і досліджені основні науково-технічні задачі з розвитку існуючих оптико-електронних автоколімаційних систем початкової азимутальної орієнтації ІНС ЛА, їх складові засоби, елементи; дана класифікація, виявлена перспектива їх розвитку; визначений технічний вигляд перспективної системи початкової азимутальної орієнтації і корегування ІНС ЛА та виявлені її основні параметри науково-технічного рівня; принципи побудови (структурні, функціональні тощо);

- основні технічні характеристики (точність, функціональні тощо); конструктивні рішення (апаратурний склад, розміщення на ІНС ЛА тощо); науково-технічні рішення з поліпшення елементної бази; розроблені та досліджені нові структурно-функціональні схеми комбінованих вказаних систем з поліпшеними характеристиками і параметрами; складені, обґрунтовані і досліджені моделі цих систем; розроблений засіб і методика початкової азимутальної орієнтації ІНС ЛА; розроблені пристрій і методика для контролю оптичної зі зворотним зв'язком слідкуючої системи для позиціювання ІНС ЛА; розроблена і обґрунтована методика оцінки поточних азимутальних позицій вісі чутливості ІНС ЛА в її штатному становищі;

- розроблені, обґрунтовані і досліджені оптико-електронні автоколімаційні кутові вимірювачі з формуванням управляючих і вимірювально-інформаційних сигналів.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційних досліджень апробовані на наукових конференціях і семінарах: Міжнародних науково-практичних конференціях “ Політ - 2005”, “Політ - 2006”, науково-практичній конференції “Астрономічна школа молодих вчених” (2005).

Публікації. Основні результати досліджень опубліковані у друкованих роботах, що включають 2 статті у фахових виданнях а також один патент на винахід 2 публікації в збірниках і працях конференцій та семінарів, дві доповіді на них і один декляраційний патент на корисну модель.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку використаної літератури та додатку. Робота містить 179 сторінок, в тому числі 62 рисунків. Список використаних джерел літератури нараховує 124 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розкрито актуальність теми дисертації, сформульовано мету та головні завдання дисертаційної роботи, визначено об'єкт, предмет, методологічні засади науково-технічного дослідження, сформульовано наукову новизну, розкрито теоретичне та практичне значення отриманих результатів, ступінь і характер їх апробації.

В разділах 1-3 подані теоретичні і практичні частини обгрунтовання пропонованої методики початкової азимутальної орієнтації і корегування ИНС ЛА.

У першому розділі "Аналіз існуючих технічних рішень зі створення систем початкової азимутальної орієнтації і корегування інерціальних навігаційних систем літальних апаратів" розглянуті особливості задач, які вирішують з допомогою літальних апаратів (ЛА), розрахунок траси польоту ЛА, початкова азимутальна орієнтація інерціальних навігаційних систем (ІНС) як один з основних етапів введення в ІНС ЛА початкових передстартових умов.

Далі у цьому розділі даний короткий огляд існуючих методів початкової азимутальної виставки ІНС ЛА, показаний системний підхід до початкової азимутальної орієнтації, управлінню ІНС ЛА, особливості автономних бортових систем азимутальної орієнтації ІНС ЛА, систем азимутальної орієнтації ІНС ЛА слідкуючого типу зі кореляційним зв'язком, нелінійною ланкою.

На прикладі штучного супутника Землі (ШСЗ) для телевізійних систем (ТВ) досліджень природних ресурсів показано, що з точки зору придбання найкращих умов спостереження і максимальної продуктивності ТВ-систем, для огляду земної поверхні без "мертвих зон" зсув траси польоту ШСЗ за добу при азимутальній похибці в кут. с. виводу на орбіту ШСЗ зміщення орбіти досягають ~ 0,2 км, а за n - обертання навколо Землі ~0,2n км. Перспективні ТВ-системи поверх високої роздільної здатності повинні забезпечувати похибку прив'язки, яка не перевищує розмір елементу розкладання (пикселя), тобто ~8 мкм при висоті польоту 900 км, відхилення смуги огляду складає ~25 м від розрахункової.

Відповідно цьому пред'являються визначені вимоги до точності початкової азимутальної орієнтації візирної осі ТВ-системи, отож і до точності початкової азимутальної виставки ІНС ЛА.

В цьому розділі також дано короткий огляд основних існуючих методів та засобів початкової азимутальної орієнтації ІНС ЛА.

Далі в цьому розділі відмічено, що методи і засоби початкової азимутальної виставки ІНС ЛА з передачею відомого напрямку орієнтування представлені порівняно мало в науково-технічній літературі.

У другому розділі “Теоретичні дослідження по створенню перспективних оптичних автоколімаційних систем азимутальної орієнтації ІНС ЛА” подано методологія створення цих систем, принципи побудови, стратегія створення і дослідження перспективної системи, узагальнена схема формування бази знань у даній предметній області методами і засобами штучного інтелекту, класифікація вказаних систем.

У цьому розділі відмічені науково-технічні проблеми по створенню сучасних оптико-електронних автоколімаційних систем початкової азимутальної орієнтації ІНС ЛА які включають такі складові:

1. Оптимізацію структурно-функціональної побудови вказаних систем на основі аналізу і синтезу їх блоків, елементів.

Ідентифікацію просторово-частотно-часових характеристик і параметрів елементів систем.

Просторово-частотно-часовий розподіл сигналів.

Розробку методів і засобів обробки інформації, сигналів, оптимальних по точності і швидкодії.

Створення і застосування елементів, які працюють на нових фізичних принципах.

Створення і використання багатофункціональних і багатоелементних нерозстроюваних у просторі і часі конструкцій окремих ланок систем.

2. Розробку просторово-частотно-часових критеріїв оцінки якості систем і їх елементів.

3. Створення методів і засобів формування просторово-частотно-часової опорної структури автоколімаційної марки, передачі і прийому її елементів.

4. Мінімізацію методичної складової похибки при горизонтуванні і негоризонтуванні самої системи в цілому, її елементів.

5. Перевірку системи в її штатному положенні.

6. Створення систем інваріантних до просторово-частотно-часових поміх.

Створення методів і засобів для амортизації і фільтрації коливань.

Виключення або облік впливу збурюючих факторів.

Покращення динамічних характеристик і збільшення діапазону кутового функціонування.

7. Розробку методів і засобів вказаних систем, сумісних по просторово-частотно-часових характеристиках і параметрах, ступеню автоматизації і комп'ютеризації з об'єктом азимутального орієнтування (ІНС ЛА).

Розробку методів і засобів прискореної обробки інформації.

Рознос частот коливань елементів системи і об'єкта орієнтування.

8. Створення методів і засобів ступеневого (ієрархічного) формування, зберігання, передачі, обробки, візуалізації просторово-частотно-часової структури опорної геодезичної марки системи і прогнозування змін її параметрів і розташування в просторі і в реальному масштабі часу.

Повірку масштабних коефіцієнтів функцій перетворення складових ланок.

Використання статистичної обробки даних, які несуть інформацію, параметрів азимутальної орієнтації і коливань (векторів стану) елементів систем.

9. Сумісність узгодження інформаційно-вимірювальних параметрів елементів систем.

10. Створення систем азимутального орієнтування об'єктів, встановлених на обмежено-рухомій основі.

Розв'язку вказаних систем від об'єкту орієнтування.

Ідентифікацію і облік впливу параметрів збурюючих коливань основи.

11. Розробку методів і засобів тривимірної просторової передачі опорного азимутального напрямку.

12. Розробку методів і засобів зберігання опорного азимутального напрямку, який передається на орієнтований об'єкт.

Принципи і склад побудови структурних схем оптико-електроних автоколімаційної систем азимутальної орієнтації (ОАСАО) багато в чому визначаються наступними факторами: типом ІНС ЛА; просторовим розташуванням приборного відсіку ІНС ЛА; ступенем автоматизації і комп'ютеризації; технічними характеристиками і параметрами складових ланок; наявністю різного роду поміх, шумів та ін. У відповідності з цим ОАСАО можуть мати як окремі так і оптично пов'язані між собою прилади: горизонтальної передачі опорного азимутального напрямку; вертикальної передачі опорного азимутального напрямку; передачі опорного азимутального напрямку в похилій площині при “косому” орієнтуванні ІНС ЛА.

Оптичні автоколімаційні слідкуючі системи (ОАСС) кутової орієнтації об'єкту (ІНС ЛА) - це прилади горизонтальної передачі опорного азимутального напрямку. Вони можуть бути як аналогового, так і цифрового, разомкнутого і замкнутого типів. В дисертаційній роботі представлений їх всебічний аналіз з точок зору теорій автоматичного управління, оптико-електронних приборів, тощо.

Задача азимутального орієнтування ІНС ЛА - це суперевливая за своєю сутністю задача оптимального управління або по швидкодії, або по точності. В першому випадку використовують тільки необхідну кількість виміряних даних, тобто мінімальну кількість управлінських переключень, а в другому практично використовуємому випадку досягають заданої точності при регламентованому часі, використанні зрівняних виміряних даних, наприклад, по методу найменших квадратів.

Автоматичні системи початкової азимутальної орієнтації ІНС ЛА повинні мати відповідні показники якості і технічні характеристики, які визначають точність, швидкодію, надійність та ін. В існуючих системах ОАСС використано традиційну багатоконтурну структурну побудову. Однак для них характерні нелінійності: насиченості; зони нечутливості; статичного тертя; зазорів в механічних приводах, кінематичних парах.

Використання комбінованих систем ОАСС, які містять сукупність двох підсистем (першої - швидкодіючої, другої - працюючої по відхиленню), введення зони нечутливості та ін. дозволяє дещо покращити вказані показники і характеристики. Аналітичний підхід до побудови ОАСС, формування бази знань в даній предметній області методами і засобами штучного інтелекту дозволили розробити стратегію подальшого удосконалення ОАСС.

В цьому розділі детально розглянуті принципи побудови ОАСС з рухомим і нерухомим автоколіматором (АК), показані теоретичні основи побудови комбінованих систем, основні недоліки існуючих ОАСС.

ОАСС по точності значно перевищує автономні гірокомпасуючі ІНС ЛА, тому їх використовують для азимутальної корекції розташування осі чутливості ІНС ЛА.

У якості засобу формування опорного азимутального напрямку і його особливості використання спільно з ОАСАО у даній роботі показаний гіротеодоліт (ГТ).

Перспективна ОАСАО представляє двоканальну комбіновану систему азимутального орієнтування, яка містить грубий канал ОАСС і точний канал - вимірюючий.

В третьому розділі "Теоретичні дослідження з побудови автоколімаційного вимірювача (АК) ОАСАО" проаналізовано роль і значення цього вимірювача в ОАСАО. При цьому розглянуто: проблеми передавання і прийому просторово-часової структури геодезичної марки; просторово-частотно-часові характеристики АК; характеристики АК з фотоелектричним прибором із зарядовим зв'язком (ФПЗЗ); використання ФПЗЗ у складі АК; загальна структурна модель АК; показники якості АК; мета роздільної здатності оптичної системи АК; просторово-частотно-часові критерії оцінки якості АК; подавання ФПЗЗ з точки зору теорії автоматичного управління, ФПЗЗ - просторово-частотно-часовий фільтр; квантування зображення марки АК; вибір інтервалу дискретизації АК; оцінка швидкодії АК; оптимальна фільтрація сигналу АК; корегування апертурних викривлень сигналів ФПЗЗ; роздільна здатність зображуючої оптичної системи "об'єктив-фокон"; фізичний муаровий механізм АК.

У четвертому розділі "Методика початкової азимутальної орієнтації ІНС ЛА і її обгрунтування" запропоновано методику початкової азимутальної орієнтації ІНС ЛА. У ній згідно ГОСТ У 8.467-82 викладено наступне: модель вимірювань; вимоги до апаратного і програмного забезпечення; процедури розстановки і підготовки апаратури до роботи; вимоги, які висувають до взаємодії оптичного елемента (ОЕ), розміщеного на ІНС ЛА з вимірюючою апаратурою системи початкової азимутальної орієнтації ІНС ЛА; опис процесу азимутального орієнтування і циклограми проведення вимірювань з вказанням їх числа; обробку результатів вимірювань, включаючи вирахування і введення поправок; способи вираження погрішностей, заключних результатів.

За допомогою перспективних систем початкової азимутальної орієнтації ІНС ЛА необхідно виконувати не тільки високоточну азимутальну виставку від чутливості ІНС ЛА, але й необхідно проводити контроль технічного стану ІНС ЛА безпосередньо в її штатному положенні. У відповідності з цим основними вимогами, які висуваються до перспективної системи початкової азимутальної орієнтації ІНС ЛА, є наступні: володіння підвищеними показниками якості, наприклад, точності, швидкодії, надійності та ін. у порівнянні відповідними показниками якості ІНС ЛА; вихідні інформаційні дані цієї системи повинні бути у цифровій формі для здійснення цифрової обробки інформації; можливість виконання неперервних обчислень, порівнянь з метою прогнозування характеристик і параметрів ІНС ЛА; досягнення максимальної сумісності по науково-технічному, апаратному і програмному забезпеченню з ІНС ЛА; можливість вводу в ІНС ЛА початкових азимутальних даних від даної системи.

В основу побудови перспективної системи початкової азимутальної орієнтації ІНС ЛА покладено фізичні принципи формування інформації про положення істинного меридіану в геодезичній системі координат, наприклад, з допомогою гіротеодоліта, азимутальної прив'язки і неперервного виміру положення в азимуті осі чутливості ІНС ЛА, узгодженої, наприклад, з нормаллю до відображаючої поверхні ОБ ІНС ЛА.

Метод вимірювань, реалізуючий ці принципи і який являє собою сукупність операцій і їх послідовність, оснований на порівнянні вимірюючого азимутального кутового положення осі чутливості ІНС ЛА із зразковим азимутальним кутом опорного геодезичного напрямку у відповідності з принципами і методами автоматичного управління вимірювань, передачі їх в азимутальній плоскості і просторі.

Метод вимірювань - синтез різноманітних методів і операцій - таких як систем управління, геодезичних, оптико-електронних і ін. В цьому розділі викладені: основні причини виникнення нелінійності в оптичних автоколімаційних системах азимутальної орієнтації (ОАСАО) слідкуючого типу і необхідність створення комбінованого типу ОАСАО; узагальнена структурна модель вимірюючого процесу; методика азимутальної прив'язки ОАСАО до засобів автономного азимутального орієнтування; розстановка апаратури при початковій азимутальній орієнтації ІНС ЛА; обгрунтування точності даного методу азимутальної орієнтації ІНС ЛА; фізичний механізм автоколімаційних ОАСАО; оптичний автоколімаційний метод перетворення кутових коливань ОЕ ІНС ЛА у відповідні електронні сигнали ОАСАО; аналіз точності початкової азимутальної орієнтації ІНС ЛА; контроль погрішності методу початкової азимутальної орієнтації ІНС ЛА; корекція ІНС ЛА за допомогою ОАСАО.

Особливу увагу в цьому розділі відведено винаходу і науково-технічній розробці оптичної зі зворотним зв'язком слідкуючої системи з позиціювання об'єкту - ОЕ ІНС ЛА. Відзначено, що відомі оптичні слідкуючі системи мають суттєві недоліки: з однієї сторони ці системи не працюють для позиціювання об'єктів, що мають вібрації, з іншої - невелика точність, тобто вона обмежена похибкою в зоні нечутливості.

В якості аналогу, прийнятого за прототип, використано технічне рішення фотоелектронних слідкуючих систем. Вони складаються з послідовно з'єднаної нелінійної ланки з зоною нечутливості, вимірювачем неузгодженості, підсилювачем, блоком формування сигналу управління, виконавчим приводом.

З метою виключення недоліків запропонована оптична зі зворотним зв'язком слідкуюча система з позиціювання об'єкту, адекватного нелінійній ланці з зоною нечутливості, оснащена паралельно з'єднаним з вимірювачем неузгодженості блоком формування залишкового сигналу неузгодженості, виконаним у вигляді послідовно з'єднаних світлодільника і приладу з зарядовим зв'язком.

Фотоприймальні пристрої дають електричний струм занадто малий для того, щоб безпосередньо приводити в дію ті чи інші виконавчі органи вказаної оптичної системи. З цієї причини використовують підсилювачі потужності. Поріг спрацьовування (комутації каналів управління і вимірювання залишкового сигналу неузгодженості) визначається порогом спрацювання, наприклад, логічного елемента -триггера Шмідта (ТШ). Якщо напрямок на вході ТШ досягає визначеної величини, рівної величині порога спрацювання, то схема ТШ стрибком змінить свій стан на протилежний. При зменшенні вхідної напруги до величини "порога відпускання" схема повертається в вихідне положення (поріг спрацювання значно вищий порога відпускання). Електричні триггери володіють швидкодією с. і з потужністю, необхідною для спрацювання, більш Вт. Однак в запропонованій системі порогова потужність світових потоків у плечах оптичного мосту фотоприймачів складає Вт. Таким чином, має місце зона нечутливості. При зменшенні потужності спрацювання ТШ система втрачає стійкість, з'являються автоколивання, тому спеціально знижують чутливість вимірювача розходження і системи, піднімаючи поріг спрацювання ТШ. В результаті цього точність позиціювання об'єкту значно знижується. В системі, в якої відсутня зона нечутливості, неминуче присутні автоколивання, так як виконавчий привод приведення об'єкту (дзеркала) в узгоджене положення з вимірником розходження ніколи не буває відключеним від джерела електричного живлення (струму) і безперервно реверсує. Детальний розрахунок показує, що в релейних системах без зони нечутливості і які вміщують, наприклад, двигун зі сталою часу Тem і інерційний підсилювач зі сталою часу Tn, амплітуда коливання визначається виразом, наприклад, для систем кутового позиціювання.

де - максимальна швидкість відпрацювання кута виконавчим приводом, наприклад, обертанням валу двигуна; і - передаточне відношення редуктора, - величина порогового сигналу.

Для вилучення автоколивань вводять зону нечутливості , яка і визначає поріг комутації каналів і діапазон зміни величини залишкового сигналу неузгодженості, які вимірюють за допомогою фотоелектричного приладу з зарядовим зв'язком (ФПЗЗ). Отже, інерційність підсилюючого тракту, тертя в останній кінематичній парі виконавчого приводу двигуна з редуктором погіршує характеристики існуючих систем. Чим більше стала часу підсилювача Т тим більше амплітуда автоколивань в системах та зона нечутливості, що збільшує похибку позиціювання об'єкту.

Деякі поліпшення якості, тобто. зменшення похибки досягається шляхом введення стабілізуючих ланок диференціюючих ланцюгів і додаткових зворотних зв'язків. Як визначено раніше, в запропонованій системі за рахунок вимірювання залишкового сигналу неузгодженості точності позиціювання об'єкту значно підвищується точність в порівнянні з існуючими системами.

В четвертому розділі також показані: вибір математичної моделі цієї системи; синтез цієї системи; теоретичне дослідження моделі оптичної з зворотним зв'язком слідкуючої системи кутового позиціювання об'єкту; імітаційне моделювання вказаної системи; основні вимоги до якості моделювання; похибка імітаційної системи.



Графіки сукупності сигналів ОАСАО:

1) відстеживаемого;

2) задаваємого;

3) з різницею між сигналами а і б;

4) залишкового із ФПЗЗ

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі розв'язано актуальну науково-технічну проблему створення та дослідження підвищеної точності системи початкового азимутального орієнтування і корегування інерціальної навігаційної системи летального апарату. На основі застосування системного підходу, ідей і методів суміжних областей науки і техніки, сучасних інформаційних технологій, систем формування знань у даній предметній області створені аналітичні і імітаційні моделі, алгоритмічні й програмні засоби, продукції оптимізації та обробки даних.

У дисертації одержано такі основні теоретичні та практичні результати:

1. В результаті патентно-інформаційних досліджень розкриті переваги і недоліки, виявлені науково-технічні протиріччя в методах і засобах існуючих систем початкового азимутального орієнтування ІНС ЛА. При цьому обгрунтовано показано, що ОАСАО займають одне з домінуючих місць у процесі азимутальної виставки ІНС ЛА через наявність наступних основних переваг: багаторазовості використання; покращення показників якості; практичної необмеженості інформаційного ресурсу, масогабаритів; можливість роботи на нерухомій основі і довготривалого зберігання азимутального базового напрямку, здійснення калібрування і повірки ІНС ЛА в її штатному положенні.

2. Розроблена методологія побудови перспективної ОАСАО як системи автоматичного і програмного управління. Вона включає сукупність прийомів, правил наукового пізнання, виявлення закономірностей в даній предметній області, в тому числі і з використанням методів і засобів штучного інтелекту. Вона відобразила: знання різних ситуацій, режимів і стадій формування ОАСАО, початкові знання, можливості науки і техніки на даний момент часу, вимогу ринку і виробництва; архітектуру побудови, формування і використання нових методів і засобів, наукоємних інформаційних технологій і "ноу-хау"; методи і засоби виявлення науково-технічних, економічних і інших протиріч; розробки стратегій по побудові вказаних систем.

Для побудови перспективної ОАСАО були використані системний підхід автоматичного і програмного управління, аналітичне конструювання, векторно-матричне моделювання по схемі "вхід-стан-вихід", імітаційне моделювання з застосуванням сучасних інформаційних технологій і програмних продуктів, наприклад, МАТLАВ 7.01 SIMULINK і ін.

3. В даній роботі відмічено, що структурний склад ОАСАО, головним чином, визначається: типом ІНС ЛА; просторовим розміщенням пристрійного відсіку ІНС ЛА; ступенем автоматизації і комп'ютеризації; технічними характеристиками і параметрами ІНС ЛА; присутністю різного роду обмежень, впливаючих величин, шумів, поміх.

4. Представлені науково-технічні проблеми по створенню і дослідженню ОАСАО, відображена динаміка розвитку ОАСАО на шляху : оптимізації структурно-функціональної їх побудови; просторово-частотно-часового розділу і оцінки сигналів; створення і використання багатофункціональних і багатоелементних конструкцій елементів, які функціонують на нових фізичних принципах; використання методів і засобів процесів багатоступеневого формування, зберігання, передачі, прийому, обробки і візуалізації структури опорної геодезичної марки автоколіматора (АК) і її зображення; прогнозування просторової зміни Їх в реальному масштабі часу і ін.

5. Аналітичний підхід до дослідження, побудови і функціонування існуючих оптичних автоколімаційних слідкуючих систем показав, що в них мають різного роду нелінійності через: інерційність виконавчого приводу; насиченість управляючих сигналів; зони нечутливості; статичне тертя; зазори в кінематичних парах. Показано, що ці нелінійності обмежують застосування ОАСАО для початкового азимутального орієнтування ІНС ЛА.

6. Розроблена, обґрунтована і досліджена за допомогою імітаційного моделювання методика початкової азимутальної орієнтації ІНС ЛА і перспективна синтезована оптико-електронна автоколімаціїна система ОАСАО.

7. Теоретично досліджено методичні похідки ОАСАО і представлені особливості контролю і апаратури ОАСАО для його здійснення.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Мухаммад Рашик Улла Бейг Мирза, Парняков Є.С. Системне представлення оптико-електронної автоколімаційної слідкуючої системи // Зб. наук. праць “Сучасні досягнення геодезичної науки та виробництва”. - Львів: Ліга-Прес, 2004. - С. 214-221.

2. Мухаммад Рашик Улла Бейг Мирза, Парняков Є.С. Пространственно-частотно-временные критерии оценки качества оптико-электронного автоколлимационного измерителя // Вісник Астрономічної школи. - 2004. - Т. 4, №2. - С. 246-250.

3. Мухаммад Рашик Улла Бейг Мирза Синтез оптико-електронної системи кутового орієнтування об'єкту // Матеріали МНК студентів і молодих вчених “Політ-2005” (Київ, Національний авіаційний університет, 2005). - Т. 5, № 1. - 2005. - C. 67-70.

4. Мухаммад Рашик Улла Бейг Мирза, Парняков Є.С. Проблеми використання волоконно-оптичних елементів в оптико-електронних зображуючих пристроях космічних інформаційних систем // Космічна наука і технологія. - 2006. - Т. 12, № 4. - С. 45-51.

5. Патент України на винахід № 75216 С2 від 07.04.2004, МПК (2006), G05B 11/00, “Оптична зі зворотним зв'язком слідкуюча система з позиціювання об'єкта” Бюл. № 3, ДПІВ від. 15.03.2006. Мухаммад Рашик Улла Бейг Мирза, Парняков Є.С.

6. Патент України на корисну модель № 12819 U від 24.06.2005, МПК (2006), G05B 11/01, “Пристрій для контролю оптичної зі зворотним зв'язком слідкуючої системи для позиціювання об'єкта” Бюл. № 3, ДПІВ від. 15.03.2006. Мухаммад Рашик Улла Бейг Мирза, Парняков Є.С.

7. Мухаммад Рашик Улла Бейг Мирза, Парняков Є.С. Доповідь на тему “Имитационное моделирование системы начальной азимутальной ориентации инерциальной навигационной системы летательного аппарата”. Політ 2006, НАУ, Київ.

АНОТАЦІЯ

Мухаммад Рашик Улла Бейг Мирза. Методика початкової азимутальної орієнтації і корегування інерціальної навігаційної системи летального апарату. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук зі спеціальності 05.13.03. - Системи і процеси управління - Національний авіаційний університет, Київ, 2006.

Метою дисертаційної роботи є підвищення точності початкової азимутальної орієнтації ІНС ЛА. Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити наступні завдання: аналіз недоліків та переваг аналогів та прототипу існуючих та перспективних систем початкової азимутальної орієнтації ІНС ЛА; виявлення суперечностей, розв'язання їх, що відображає загальну структуру і основні зв'язки між компонентами цих систем; формування основних критеріїв оцінки науково-технічної ефективності рішень з вирішення вказаних проблем; обґрунтування, створювання та дослідження перспективних методів та засобів з підвищеною точністю початкової азимутальної орієнтації ІНС ЛА; розробка та обгрунтування методики азимутальної орієнтації ІНС ЛА; побудова аналітичної та імітаційної моделей та виконання моделювання процесу початкової азимутальної орієнтації ІНС ЛА.

В дисертаційній роботі отримані теоретичні, методологічні і науково-практичні результати побудови перспективних оптико-електронних автоколімаційних систем азимутальної орієнтації (ОАСАО) ІНС ЛА.

У результаті виконання дисертаційної роботи отримані нові результати, що виносяться на захист:

Вперше на основі загальних позицій аналізу, синтезу оптимізації сформульовані, обгрунтовані, досліджені науково-технічні проблеми з підвищення та контролю точності перспективної комбінованої системи початкової азимутальної орієнтації ІНС ЛА. Вперше обгрунтовані і розроблені: методика та оптична зі зворотним зв'язком слідкуюча система початкової азимутальної орієнтації ІНС ЛА з допомогою відповідної комбінованої двоканальної системи; методика та пристрій для контролю оптичної зі зворотним зв'язком; слідкуючої системи для позиціювання ІНС ЛА. Удосконалено теоретичні положення і методологія оцінки ефективності апаратурного комплексу оптичної зі зворотним зв'язком слідкуючої системи початкової азимутальної орієнтації ІНС ЛА, яка включає послідовно з'єднану нелінійну ланку з зоною нечутливості. Розроблена на основі імітаційного моделювання динаміка процесу функціонування оптичної зі зворотним зв'язком слідкуючої системи з позиціювання об'єкту (ІНС ЛА), яка включає послідовно з'єднану нелінійну ланку з зоною нечутливості.

Визначено для цих систем технічний облік і подання головних параметрів науково-технічного рівня: принципів побудови (структурних, функціональних схем вказаних систем); головних технічних характеристик (точності, швидкодії тощо); конструктивних рішень (апаратурного составу, її розміщення тощо); науково-технічні рішення з поліпшення елементної бази.

Ключові слова: літальний апарат, азимутальна орієнтація, інерціалъна навігаційна система, оптична слідкуюча система, оптична автоколімаційна система азимутальної орієнтації, автоколіматор, фотоелектричний прилад із зарядовим зв'язком, автоколімаційна марка.

АННОТАЦИЯ

Мухаммад Рашик Улла Бейг Мирза. Методика начальной азимутальной ориентации и коррекции инерциальной навигационной системы летального аппарата. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.03. - системы и процессы управления - Национальный авиационный университет, Киев, 2006.

Целью диссертационной работы является повышение точности начальной азимутальной ориентации инерциальной навигационной системы (ИНС) летального аппарата (ЛА). Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи: патентно-информационные исследования с целью анализа недостатков и преимуществ аналогов и прототипа существующих и перспективных систем начальной азимутальной ориентации ИНС ЛА; выявление основных и сопутствующих проблем, противоречий, разрешения их по пути поиска структуры и основных связей между компонентами этих систем: формирования основных критериев оценки научно-технической эффективности решений по разрешению поставленных проблем, противоречий; обоснования, создания и исследования перспективных методов и средств для повышения точности начальной азимутальной и имитационной моделей; разработка и обоснование методик начальной азимутальной ориентации ИНС ЛА; проведение процесса моделирования начальной азимутальной ориентации ИНС ЛА.

В диссертационной работе получены теоретические, методологические и научно-практические результаты построения перспективных оптико-электронных автоколлимационных систем азимутальной ориентации (ОАСАО) ИНСЛА.

В результате выполнения диссертационной работы получены новые результаты: впервые на основе обобщенных позиций анализа, синтеза, оптимизации сформированы, обоснованы, исследованы научно-технические проблемы по повышению и контролю точности перспективной комбинированной ОАСАО ИНС ЛА; впервые обосновано построение и разработана методика и оптическая с обратной связью следящая двухканальная система начальной азимутальной ориентации ИНС ЛА; впервые обоснована и разработана методика и устройство для контроля указанной оптической с обратной связью следящей системы для позиционирования ИНС ЛА, кроме того, усовершенствованы теоретические положения и методология оценки эффективности аппаратурного комплекса оптической с обратной связью следящей системы начальной азимутальной ориентации ИНС ЛА, которая включает последовательно соединенное нелинейное звено с зоной нечувствительности.

Имитационное моделирования ОАСАО позволило исследовать динамику процесса функционирования указанной оптической с обратной связью следящей системы, минуя макетирование.

В работе определен технический облик ОАСАО и представлены основные параметры их научно-технического уровня: принципы построения (структурные, функциональные схем указанных систем), доминирующие технические характеристики (точность, быстродействие и др.), научно-технические решения по улучшению элементной базы.

Результаты диссертационной работы имеют практическое значение, т.к. на основе созданных методик сформированы характеристики и параметры процесса функционирования и контроля оптической с обратной связью следящей системы начальной азимутальной ориентации ИНС ЛА, которая содержит в ней последовательно соединенное звено с зоной нечувствительности; определено системное прикладное направление исследований, которое поможет практически повысить эффективность и снизить сроки разработки подобных систем, предложены и обоснованы патентнозащищенные предложения по построению соответствующих ОАСАО.

В работе показаны особенности и важность начальной азимутальной ориентации ИНС ЛА, существующие принципы, методы и средства, методология и стратегия по созданию перспективной ОАСАО, системные и аналитические подходы к формированию базы знаний в данной предметной области.

Особое место в диссертационной работе отведено разработке и обоснованию указанной методики характеристик и параметров ОАСАО, АК содержащего ФПЗС, анализу модели погрешности ОАСАО, проблеме передачи и приема пространственно-частотно-временной структуры марки АК, азимутальной привязки ОАСАО и средствам формирования опорного азимутального направления и др.

Ключевые слова: летательный аппарат, азимутальная ориентация, инерциалъная навигационная система, оптическая следящая система, оптическая автоколлимационная система азимутальной ориентации, автоколлиматор, фотоэлектрический прибор с зарядовой связью, автоколлимационная марка.

Annotation

Muhammad Rasheeq Ullah Baig Mirza. Methodic of initial azimuth orientation and correction of inertial navigation system of flying object.

Dissertation for a scientific degree of a candidate of technical science on the specialty 05.13.03. - Systems and processes of control. National Aviation University, Kiev, 2006.

The goal of dissertation work is to improve accuracy of initial azimuth orientation of inertial navigation system (INS) of flying object (FO). To achieve given objective, following problems were solved:

- patent-information research with the aim to analyze disadvantages and advantages of analogs and prototypes of existing and prospective systems of initial azimuth orientation of INS FO;

- highlighting basic and associated problems, contradictions in their resolution on searching structures and basic links between components of these systems;

- formation of basic criterion of marking scientific-technical effectiveness of solution by resolution of given problems and contradictions; validation, establishment and research of prospective methods and tools to enhance accuracy of initial azimuth and simulation model;

- development and validation of methodic of initial azimuth orientation of INS FO;

- conduct process of simulation of initial azimuth orientation of INS FO.

In the dissertation work achieved theoretical, methodological and scientific-practical results of the construction of prospective optical-electronic auto-collimation system of azimuth orientation (OASAO) INS FO.

In the result of completion of dissertation work achieved new results: first on the bases of fundamental position of analysis, synthesis, optimization formed, based, researched scientific-technical problems to enhance and check accuracy of prospective combined OASAO INS FO; first designed and developed methodic and optical with feed back double channel servo system of initial azimuth orientation INS FO; first derived and developed methodic and device for checking given optical with feed back servo system for the positioning of INS FO, in addition, modernized theoretical position and methodology of marking effectiveness of apparatus complex of optical with feed back servo system of initial azimuth orientation of INS FO, which includes serially connected non linear link with insensitive zone.

Simulation modeling of OASAO allowed to investigate dynamics of the functioning process of given optical with feed back servo system, minimizing physical modeling.

Results of dissertation work have practical significance, because on the bases of produced methodic formed characteristics and parameters of functioning process and testing of optical with feed back servo system of initial azimuth orientation INS FO, which contains in it, sequentially connected links with insensitive zone; defined systematic applied direction of research, which may practically improves effectiveness and reduces development period of such systems, presented and validated patent protected proposal for the development of OASAO.

In this work shown importance and essentiality of initial azimuth orientation of INS FO, existing principles, method and resources, methodology and strategy to produce prospective OASAO, systematic and analytical way to form knowledge base in the given field of discipline.

Important place in dissertation work is allocated to the development of mentioned methodic characteristics and parameters of OASAO, autocollimator (AC) containing charge couple device (CCD), analysis of error model of OACAO, transmitting and receiving problems of space-frequency-time structure of AC mark, azimuth laying of OASAO with the equipment establishing azimuth reference direction and etc.

Key words: Flying Object, azimuth orientation of inertial navigation system, optical servo system, optical auto-collimation system of azimuth orientation, autocollimator, charge couple device, auto-collimation mark.

Размещено на Allbest.ru

...