Навигационные системы летательных аппаратов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Существующие ныне автономные системы навигации для летательных аппаратов - это инерциальные навигационные системы. Они имеют нарастающую во времени ошибку и высокую стоимость при высокой точности. Эти проблемы решаются путем применения дополнительных спутниковых систем навигации. Это повышает точность навигационных систем, но приводит к потере их автономности и помехоустойчивости. То есть методы, которые приводят к улучшению точности навигации, одновременно приводят к потере системой автономности и помехоустойчивости. Это противоречие разрешается введением видеонавигации. При этом получается изображение местности камерой, которое затем анализируется бортовым компьютером и, исходя из этого анализа, находится координаты и ориентация летательного аппарата. Для создания системы видеонавигации планируется разработать три модуля для видеонавигации, которые подразделяются по полноте использования дополнительной информации о местности (кроме текущей видеосъемки), полученной заранее и хранящейся в памяти.

1) Модуль, работающий по текущим снимкам без привлечения дополнительной информации. В первом кадре видеопотока она находит характерные точки и далее отслеживает их перемещение в кадре. По характеру перемещения программа определяет, как изменяется положение и ориентация самой камеры. Программа находит в каждом кадре сотни и тысячи характерных точек, что обеспечивает высокую точность навигации.

2) Mодуль точной привязки по рельефу по стереоэффекту, возникающему при движении камеры, восстанавливается рельеф, он сравнивается с заложенными в память данными, в случае «узнавания» определяются точные координаты и ориентация

3) Mодуль точной привязки по эталонным фотографиям

кадры видео сравниваются с заложенными в память изображениями участков маршрута, в случае «узнавания» определяются точные координаты и ориентация

В настоящее время основу навигационных систем беспилотных летательных аппаратов составляют приёмники глобальных систем спутниковой навигации (ГССН), компенсированные с блоком инерциальных датчиков пространственной ориентации. Такая система обеспечивает достаточно точное определение местоположения БЛА и параметров его движения (до 15 м) при наличие незатруднённого приёма сигналов ГССН. При комплексировании со спутниковой навигацией возможно применение низкоточных недорогих инерциальных систем, оснащённых микромеханическими датчиками движения (акселерометрами и гироскопами). Стоимость такой системы составляет от 5 до 15 тыс. долларов США в зависимости от точности датчиков. Следует отметить, что инерциальная система такого ценового диапазона не в состоянии осуществлять автономное счисление пройденного пути ввиду высоких скоростей дрейфа гироскопических датчиков. Лучшие образцы способны поддерживать точность в течении нескольких минут (не более 10) отсутствия сигнала СНС на уровне 100-150 м. При этом как правило требуется поддержание режима прямолинейного движения без ускорений.

Таким образом, присутствие сигналов ГССН является в настоящее время необходимым условием выполнения беспилотными летательными аппаратами поставленных задач. Отсутствие или намеренное подавление СНС приводит к невозможности точно определить собственные координаты и как следствие, выполнить полёт по заданному маршруту. В случае же использования на БЛА инерциальной системы сверхнизкой точности (особенно на БЛА ближнего действия) отсутствие корректирующих сигналов от ГССН может привести к «развалу» инерциальной системы и аварии БЛА. Поэтому подавление ГССН рассматривается в качестве основного метода борьбы с БЛА.

Применение высокоточных инерциальных навигационных систем (ИНС) также полностью не решает проблему по следующим причинам:

1) такие системы дороги (от 30-50 тыс. долларов)

2) масса инерциальной системы «средней точности» на лазерных или волоконно-оптических гироскопах составляет от 8 кг, что делает проблематичным их использование на БЛА малой и даже средней дальностей

3) принципиальным ограничением ИНС является рост ошибки определения координат с течением времени автономной работы. Точность автономного счисления координат для современных ИНС составляет порядка 1 морской мили за час полёта (для систем высокой точности), что не позволяет обеспечить высокоточное определение координат целей.

Таким образом, мы имеем типичное противоречие, описываемое ТРИЗ: методы, которые приводят к улучшению точности навигации, одновременно приводят к потере системой автономности и помехоустойчивости. Это противоречие разрешается путем внедрения видеонавигации.

Производители беспилотных систем в США и Израиле проводят исследования и разработки, направленные на обеспечение автономности применения БЛА в условиях отсутствия сигналов спутниковой навигации на основе альтернативных источников данных. К таким данным относятся

прежде всего, видовая информация, поступающая с бортовых фото и видеокамер дневного и инфракрасного диапазонов, синтезированное изображение радара, данные цифрового рельефа местности, космические снимки, а также так называемые «сигналы природного происхождения»:

вектору силы тяжести, магнитному полю Земли, положению светил. Развитие и миниатюризация компьютерных систем, систем сбора и обработки видовой информации сделали возможной реализацию подобной системы в составе аппаратных средств навигации и управления беспилотного летательного аппарата.

В частности, компания Rockwell-Collins, производящая аппаратуру навигации и управления полётом для БЛА различных типов, объявила о завершении разработки Vision Augmented Inertial Navigation System (VAINS) в которой обеспечивается коррекция инерциальной системы по скорости и координатам от видеокамеры в отсутствие сигналов СНС.

В настоящее время разработаны математические основы определения местоположения летательного аппарата по видовой информации, проведено компьютерное моделирование и обоснованы требования к аппаратным средствам системы комплексированной навигации для БЛА средней и малой дальности.

В основу принципа положены 3 базовых способа

1) Счисление пройденного пути на основе анализа потока видеоданных, поступающего с оптико-электронных приборов наблюдения. В каждом кадре автоматически находятся десятки характерных точек. Анализ их перемещения от кадра к кадру даёт информацию о движении объекта. Большое количество таких точек гарантирует точность определения

перемещения, курса и углов ориентации. Основным ограничением метода является возможность только относительного определения координат и ориентации, что может привести к росту ошибки навигации со временем. Другим его недостатком является неполнота - все расстояния находятся с точностью до произвольной постоянной. Также могут быть причины, приводящие к невозможностью найти соответствующие пары точек на снимках: недостаточная освещенность, невозможность использования в случае облачности, невозможность использования над гладкой поверхностью без характерных особых точек (плоская, равномерно освещённая водная поверхность «без ряби» и волн; однородная и ровная песчаная пустыня без растительности)

2) Использование данных рельефа позволяет частично компенсировать недостатки первого метода. Используя перекрытие потока фото- видео- данных, восстанавливается рельеф местности. Сравнение с цифровой моделью рельефа местности позволяет определить местоположение летательного аппарата. В отличие от Метода 1 при использовании сканирующего лазерного высотомера возможно определение местоположения в отсутствие дневного освещения, однако, аналогично методу 1 рассматриваемый подход не работает над водной или песчаной поверхностью и даёт существенную ошибку в отсутствие явно выраженного рельефа. Основное преимущество перед предыдущим методом - возможность найти не только относительное, но и абсолютное положение камеры, поскольку знание карты привязывает камеру к конкретным точкам на местности с известными абсолютными координатами. Это ведет к тому, что ошибка навигации не растет со временем. Основной недостаток метода - чувствительность к слишком большим ошибкам исходных координат камеры,полученных от инерционным навигационных приборов, которые метод должен затем уточнять.

3) Использование цифровых снимков местности так же позволяет определить координаты местоположения и ориентацию путём сравнения текущей видовой информации. Этот метод обеспечивает высокую точность определения абсолютных координат даже при осутствии рельефа. Он также позволяет найти абсолютное положение камеры, даже когда ее примерные координаты вообще неизвестны. Это достигается путем сканирования всей базы данных со снимкам местности и сравнения их с текущим снимком. Кроме того, имея «привязанный» снимок можно с высокой точностью определять координаты наземных объектов, обнаруженных оптико-электронной аппаратурой. Важно отметить, что разработка математических основ всех указанных методов уже проведена, и их реализуемость математически обоснована и доказана. Об этом свидетельствуют и ссылки мировой научной прессы. Предварительные оценки и компьютерное моделирование показывают, что применение методов определения координат объекта по видовой информации и цифровым геоданным позволяет определять координаты местоположения с ошибкой не более 30 м независимо от времени.

видеонавигация летательный инерциальный

Рисунок 1 Результат разработки видеонавигации

Инерциальная система БЛА

Ключевым моментом в упомянутой цепочке является «измерение состояния системы». То есть координат местоположения, скорости, высоты, вертикальной скорости, углов ориентации, а также угловых скоростей и ускорений. В бортовом комплексе навигации и управления, разработанном и производимом ООО «ТеКнол», функцию измерения состояния системы выполняет малогабаритная инерциальная интегрированная система (МИНС). Имея в своем составе триады инерциальных датчиков (микромеханических гироскопов и акселерометоров), а также барометрический высотомер и трехосный магнитометр, и комплексируя данные этих датчиков с данными приемника GPS, система вырабатывает полное навигационное решение по координатам и углам ориентации. МИНС разработки «ТеКнола» - это полная Инерциальная система, в которой реализован алгоритм бесплатформенной ИНС, интегрированной с приемником системы спутниковой навигации. Именно в этой системе содержится «секрет» работы всего комплекса управления БЛА. По сути, одновременно работают три навигационных системы в одном вычислителе по одним и тем же данным. Мы их называем «платформами». Каждая из платформ реализует свои принципы управления, имея свои «правильные» частоты (низкие или высокие). Мастер-фильтр выбирает оптимальное решение с любой из трех платформ в зависимости от характера движения. Этим обеспечивается устойчивость системы не только в прямолинейном движении, но и при виражах, некоординированных разворотах, боковом порывистом ветре. Система никогда не теряет горизонт, чем обеспечиваются правильные реакции автопилота на внешние возмущения и адекватное распределение воздействий между органами управления БЛА.

Рисунок 2 Блок инерциальной навигационной системы

Микро-БИНС (БЕСПЛАТФОРМЕННАЯ ИНЕРЦИАЛЬНАЯ НАВИГАЦИОННАЯ СИСТЕМА)

Новый БИНС российской разработки и производства, предназначенный, прежде всего, для использования в военной авиации, которая должна уметь действовать даже в случае потери или подавления сигналов ГЛОНАСС/GPS.

Сверхлёгкий модуль, меньше кредитной карточки, может использоваться в широкой номенклатуре изделий: от навигационных систем стратегических бомбардировщиков, до систем наведения авиационных ракет и миниатюрных БПЛА. Микроблок объемом всего 30 кубических сантиметров имеет лучшие в своём классе микромеханические датчики на основе кремния и представляет собой миниатюрное инерциальное устройство позиционирования или сокращенно GIMU-ОЕМ.

Микроблок толщиной всего 14мм и весом 60 грамм содержит все необходимое для автономной навигации: гироскопы, акселерометры и высокопроизводительное ядро с математическим сопроцессором для выполнения точных навигационный вычислений в реальном времени с рекордной скоростью расчёта навигационных параметров 1-2 мс. Это позволяет выстроить траекторию управляемого объекта от известной точки и установить местоположение с высокой точностью. Новый микроблок полноценной инерциальной навигационной системы призван решить проблему уязвимости ГЛОНАСС/GPS за низкую стоимость. Новый GIMU изначально рассчитан на высокие перегрузки и пригоден для использования в высокоточном оружии, включая перспективные малогабаритные бомбы, ракеты и БПЛА-"камикадзе". Инерциальные навигационные системы (GIMU-OEM) могут использоваться и в передовом тяжелом оружии, вроде сверхзвуковых крылатых ракет БРАМОС с дальностью стрельбы более 300 км. Точность ИНС на такой дистанции ниже, чем у ГЛОНАСС/GPS, но современные технологии визуального распознавания цели могут решить эту проблему. Разумеется, новый микро-БИНС не заменяет ГЛОНАСС/GPS, а является дополнением к существующей спутниковой системе навигации. Однако, GIMU-ОЕМ может оказать большое влияние на некоторые аспекты военного дела. Прежде всего, улучшится навигация в сложных городских условиях, где спутниковому сигналу мешают многочисленные препятствия.

Новый микро-БИНС, в отличии от лучших зарубежных образцов, является не просто датчиком или измерителем первичных параметров - в блоке уже интегрировано всё необходимое программное обеспечение для работы с ГЛОНАСС, GPS, COMPAS, Galileo, и всевозможными дополнительными датчиками. GIMU-ОЕМ обеспечивает минимальное время расчёта полного навигационного решения 1-2мс, стыкуется с современными системами управления, используя высокоскоростной цифровой обмен, так же с успехом может быть использован для модернизации имеющихся ракет и боеприпасов, использующих аналоговые каналы управления, для чего в блоке реализовано 4-е программно-управляемых высокоскоростных аналоговых канала. В настоящее время уже подготовлены к серийной поставке 3 типа микро-БИНС. Два типа изделий - для использования в военной технике и специализированный недорогой тип изделия для встраивания непосредственно в приборы спутникового ГЛОНАСС / GPS мониторинга автотранспорта и в системы стабилизации оборудования.

Рисунок 2 Микро-БИНС (Бесплатформенная инерциальная навигационная система)

Размещено на Allbest.ru