Алгоритмы и методы повышения точности малогабаритной магнитоинерциальной навигационной системы контура управления маневренных объектов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Алгоритмы и методы повышения точности малогабаритной магнитоинерциальной навигационной системы контура управления маневренных объектов

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Развитие межрегиональных отношений и международного сотрудничества, решение ряда хозяйственных и оборонных задач неразрывно связаны с повышением интенсивности движения транспортных средств и других подвижных объектов. Это обусловливает непрерывное повышение требований к уровню навигационной безопасности и эффективности управления их движением в региональном, территориальном и глобальном масштабах, к решению других специальных задач навигации.

Возросли требования к точности определения угловой ориентации и текущего местоположения, к автономности функционирования на заданном интервале времени или маршруте движения, к всепогодности и круглосуточности применения, инвариантности к перегрузкам и помехозащищенности, к массе и габаритам, к стоимости и другим параметрам конкурентоспособности средств навигации подвижных объектов.

Значительный вклад в разработку эффективных методов и средств навигации внесли: Андреев В.Д., Бабич О.А., Белкин А.М., Богомолов А.В., Воронов В.В., Вульфсон Г.Б., Голован А.А., Горицкий А.Ю., Грязин Д.Г., Джанджгава Г.И., Дмитроченко Л.А., Жданюк Б.Ф., Желамский М.В., Ишлинский А.Ю., Карлащюк В.И., Кожухов В.П., Коновалов С.В., Красовский А.А., Кузовков Н.Т., Матвеев В.А., Мясников В.А., Огарков М.А., Панкратов В.М., Панов А.П., Парамонов П.П., Парусников Н.А., Пешехонов В.П., Плотников П.К., Помыкаев И.И., Понырко С.Н., Распопов В.Я., Репников А.В., Ривкин С.С., Рыболтовский Н.Ю., Савельев В.В., Салычев О.С., Северов Л.А., Селезнев В.П., Синяков А.Н., Соколов С.В., Тихомиров В.В., Чарышев Ш.Ф., Черноморский А.И., Эльясберг П.Е. и др., а также ведущие специалисты ГНИНГИ, ГосНИИ АС, РПКБ, ЦНИИ «Электроприбор», других предприятий авиационной и судостроительной промышленности. Среди зарубежных исследователей в этой области следует отметить I.V. Bar-Jtzhak, V. Dishel, W.R. Fried, M.B. Ignagni, S. Jonson, M. Kaytono, C.T. Leondes, J.G. Mark, B. Porat, P.G. Savage, D.A. Tazartes и др.

Используемые в системах управления надводных и подводных судов различного класса и назначения, летательных аппаратов и других крупных подвижных объектов и транспортных средств прецизионные и комплексируемые навигационные системы в качестве основных источников первичной навигационной информации используют гироскопические, инерциальные, астрономические, радиотехнические и магнитные системы угловой ориентации и различные системы счисления пути, что обусловливает их высокую стоимость, сложность и увеличенные массо-габаритные характеристики, целевую привязанность к конкретному объекту применения и условиям эксплуатации.

Широкий класс подвижных объектов различного назначения (беспилотные, дистанционно-пилотируемые и сверхлегкие летательные аппараты, патрульные катера, суда класса «река-море», легкие вертолеты и другие маневренные объекты) при решении задач управления и эффективного применения на первый план выдвигают требования по массо-габаритным характеристикам и автономности функционирования, минимального энергопотребления и стоимости как самой навигационной системы, так и ее обслуживания и эксплуатации на объекте. При этом возрастающее множество объектов применения и решаемых навигационных задач обусловливает необходимость создания малогабаритных автономных или ограниченно автономных навигационных систем среднего класса точности, различающихся, в основном, алгоритмическим и программным обеспечением, что определяет актуальность темы диссертационного исследования.

Объект исследования. Одним из перспективных направлений по созданию универсальной малогабаритной навигационной системы среднего класса точности является построение ее на базе магнитных и инерциальных датчиков первичной информации, что позволяет построить систему без использования дополнительных датчиков угловой ориентации подвижного объекта, обеспечить автономность функционирования на заданном интервале времени или маршруте движения, снизить габариты, вес и энергопотребление системы.

Предмет исследования. Создание малогабаритной магнитоинерциальной навигационной системы предусматривает обоснование области эффективного применения системы, формирование требований к источникам первичной информации с учетом объекта применения и решаемой задачи, выбор рациональной структуры аппаратного и алгоритмического обеспечения, разработку методов повышения точности, анализа и синтеза малогабаритной магнитоинерциальной навигационной системы, разработку методик имитационного моделирования и экспериментального исследования вариантов системы, разработку инженерной методики проектирования, изготовления и установки системы на объекте.

Целью диссертационной работы является повышение точности позиционирования и эффективности управления маневренных подвижных объектов за счет создания универсальной малогабаритной магнитоинерциальной навигационной системы среднего класса точности.

Научная задача диссертации заключается в разработке структурного построения, алгоритмов обработки измерительной информации, математического описания, методов повышения точности, системного проектирования и исследования вариантов малогабаритной магнитоинерциальной навигационной системы с учетом объекта применения.

Решение поставленной задачи научного исследования проводилось по следующим основным направлениям:

· Анализ современных требований и направлений разработок навигационных систем подвижных объектов и обоснование перспективности применения малогабаритной магнитоинерциальной навигационной системы.

· Разработка теоретических основ построения алгоритмического обеспечения и проектирования малогабаритной магнитоинерциальной навигационной системы.

· Разработка математических моделей погрешностей и методов повышения точности малогабаритной магнитоинерциальной навигационной системы.

· Разработка методик синтеза аппаратного и алгоритмического обеспечения малогабаритных магнитоинерциальных навигационных систем ближней и дальней навигации.

· Разработка методики моделирования и экспериментального исследования, рекомендаций по инженерному проектированию, реализации и применению вариантов малогабаритной магнитоинерциальной навигационной системы на различных подвижных объектах.

Методы исследования. При решении поставленной задачи научного исследования использовались методы навигации, теории измерений и измерительных преобразователей, математического моделирования, анализа и синтеза измерительных систем, статистического оценивания параметров процессов и оптимальной фильтрации, имитационного моделирования и экспериментального исследования, вероятностно-статистической обработки результатов, аппарат матричного счисления.

Достоверность полученных результатов базируется на построении адекватных математических моделей, применении современных методов анализа и синтеза измерительных каналов, на тщательном имитационном моделировании с использованием пакетов прикладных программ Matlab, Symulink, Fаlсon, согласовании теоретических положений с результатами стендовой калибровки и натурных испытаний опытных образцов, а также на опыте внедрения и применения малогабаритной магнитоинерциальной навигационной системы на различных подвижных объектах.

Научная новизна и теоретическая значимость работы определяется следующими основными результатами:

· Разработаны алгоритмы обработки информации для определения углового положения подвижного объекта и решения навигационной задачи в канале воздушного счисления пути без накапливающихся во времени погрешностей.

· Разработана методика повышения точности воздушного счисления пути за счет предварительной оценки и последующего учета неполной информации о параметрах ветра и погрешностей датчиков первичной навигационной информации.

· Разработаны особенности построения, алгоритмы обработки измерительной информации и методика синтеза параметров фильтров комплексированной малогабаритной магнитоинерциальной навигационной системы.

· Разработаны имитационные модели, методики моделирования и исследования вариантов малогабаритной магнитоинерциальной навигационной системы на различных объектах в условиях, близких к эксплуатационным, с последующим уточнением алгоритмического и программного обеспечения системы, выработаны научно обоснованные рекомендации по проектированию, изготовлению и применению вариантов малогабаритной навигационной системы на различных подвижных объектах.

Практическая ценность. Работа выполнялась в соответствии с заданиями Федеральной Целевой Программы «Развитие гражданской авиационной техники России на 2001-2010 гг. и на период до 2015 года», приказом Федеральной пограничной службы от 16.05.2003 г. №251 в рамках НИОКР ОАО «Научно-производственный комплекс «ЭЛАРА» имени Г.А. Ильенко».

Основными результатами, определяющими практическую ценность работы, являются:

· Научно-обоснованная методика построения и инженерного проектирования малогабаритной магнитоинерциальной навигационной системы.

· Методика анализа и расчета погрешностей малогабаритной магнитоинерциальной навигационной системы, обоснования требований к датчикам первичной навигационной информации.

· Алгоритмы обработки измерительной информации, методика расчета параметров фильтров и периодичности подключения позиционных и скоростных корректирующих сигналов комплексированной магнитоинерциальной навигационной системы.

· Алгоритмическое и программное обеспечение, результаты имитационного моделирования, стендовых и ходовых натурных испытаний опытных образцов, рекомендации по изготовлению и применению вариантов, совершенствованию и расширению области эффективного использования малогабаритной магнитоинерциальной навигационной системы в контуре управления маневренных объектов.

Реализация и внедрение результатов работы. Полученные научно-технические результаты внедрены в ОАО «Научно-производственный комплекс «ЭЛАРА» имени Г.А. Ильенко» при разработке и опытном производстве вариантов малогабаритной магнитоинерциальной навигационной системы, которые внедрены в ОАО «ОКБ «Сокол» на беспилотном летательном аппарате «Дань» в составе пилотажно-навигационного комплекса ПНК-163, установлены на высокоманевренных кораблях заказов 1001, 11711 в составе комплекса «Чардаш», на скоростных катерах проектов 21280,21250. Результаты исследования используются при разработке резервной малогабаритной навигационной системы вертолета. Ряд полученных результатов используется в учебном процессе Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева при подготовке инженеров специальностей «Авиационные приборы и измерительно-вычислительные комплексы» и «Приборостроение».

Результаты реализации работы подтверждены соответствующими актами.

На защиту выносятся:

1. Структурное построение и алгоритмы обработки измерительной информации при определении углового положения подвижного объекта относительно центра масс и решении основной задачи навигации с использованием воздушного счисления пути.

2. Методика повышения точности воздушного счисления пути за счет алгоритмического учета неполной информации о параметрах ветра и погрешностей датчиков первичной навигационной информации.

3. Методика построения, алгоритмы обработки измерительной информации и синтез параметров фильтров комплексированной магнитоинерциальной навигационной системы.

4. Имитационные модели, методики и результаты моделирования и экспериментального исследования, разработки и применения вариантов малогабаритной магнитоинерциальной навигационной системы в контуре управления маневренных объектов различного назначения.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на IV Российской научно-практической конференции «Современное состояние, проблемы навигации и океанографии» (Санкт-Петербург, 2001 г.), научно-практической конференции Российского форума «Авиакосмические технологии и оборудование» (Казань, 2002 г.), Международной научной конференции «Авиация и космонавтика-2003» (Москва, 2003 г.), Всероссийской научно-практической конференции «Авиакосмические технологии и оборудование» (Казань, 2004 г.), XVI научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления» (Гурзуф, 2004 г.), Международной научно-практической конференции «Авиакосмические технологии и оборудование» (Казань, 2006 г.), Международной научно-практической конференции «Современные технологии-ключевое звено в возрождении отечественного авиастроения» (Казань, 2008 г.) на научно-технических совещаниях в отраслевых институтах ГНИНГИ, ГосНИИ АС, НИИ АО, (2001-2008 гг.), а также на НТС ОАО «Научно-производственный комплекс «ЭЛАРА» имени Г.А. Ильенко» (2001-2009 гг.), на расширенном заседании кафедры приборов и информационно-измерительных систем Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева, 2009 г.

Личный вклад автора. Автором разработаны принципы построения, алгоритмы обработки информации, методика алгоритмического учета неполной информации канала воздушного счисления пути и погрешностей датчиков первичной навигационной информации, методики анализа и синтеза автономной и комплексированной магнитоинерциальной навигационной системы, научно-обоснованная методика инженерного проектирования и рекомендации по моделированию, изготовлению, экспериментальному исследованию, применению и совершенствованию вариантов малогабаритной магнитоинерциальной навигационной системы различных подвижных объектов.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 15 печатных работах, в том числе в 2 статьях периодических изданий из перечня ВАК, в 3 статьях других научных журналов, 7 материалах и 1 тезисах докладов. На предложенные технические решения получены 2 патента РФ на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, трех приложений. Основное содержание диссертации изложено на _213___страницах машинописного текста, содержит 11 таблиц и 73 рисунка. Библиография включает 118 наименований.

Основное содержание работы

магнитоинерциальный навигационный алгоритм маневренный

Во введении обоснованы актуальность темы, определены объект и предмет исследования, сформулированы цель работы, научная задача исследования и направления ее решения, раскрываются методы исследования, научная новизна и практическая ценность диссертации, научные положения, выносимые на защиту, и личный вклад автора, приведены сведения об апробации и внедрении результатов, структуре и объеме диссертации.

В первой главе рассматривается проблема измерения навигационных координат различных подвижных объектов, проводится обоснование необходимости разработки структурного построения, методов проектирования и исследования точностных характеристик малогабаритной магнитоинерциальной навигационной системы.

Проведенная классификация транспортных средств и других подвижных объектов, анализ опыта создания и применения, современных требований к навигационным системам показывают, что для широкого класса маневренных подвижных объектов воздушного, наземного, надводного и подводного применения основными требованиями являются функционирование без демаскировки объекта на определенном маршруте движения, малый вес и габариты, низкое энергопотребление и стоимость при заданной точности измерения навигационных параметров объекта.

На основе анализа информационных характеристик геомагнитного навигационного поля Земли, достижений в области миниатюрных магнитометров, микромеханических акселерометров и датчиков угловых скоростей обоснована перспективность построения магнитоинерциальных навигационных систем среднего класса точности с аэрометрическим каналом счисления пути и спутниковым каналом коррекции.

Разработана обобщенная функциональная схема малогабаритной магнитоинерциальной навигационной системы с аэрометрическим каналом счисления пути, построенной с использованием неподвижного многоканального аэрометрического преобразователя.

Показано, что в общей постановке задача научного обеспечения создания конкурентоспособных малогабаритных автономных и ограниченно автономных магнитоинерциальных навигационных систем с аэрометрическим каналом счисления пути и спутниковым каналом коррекции должна рассматриваться как разработка принципов структурного построения, алгоритмов обработки измерительной информации, математического описания, методов проектирования, повышения точности и исследования вариантов с учетом специфики объекта применения.

Во второй главе раскрываются теоретические основы построения алгоритмического обеспечения и проектирования малогабаритной магнитоинерциальной навигационной системы.

С учетом широкого круга объектов применения и задач, решаемых малогабаритной навигационной системой в контуре управления маневренных объектов, и связанной с этим необходимостью перестройки алгоритмов обработки первичной информации и использования различных систем координат, построена универсальная схема взаимосвязи и преобразования координат местонахождения подвижного объекта.

Получены соотношения для матриц направляющих косинусов C_ij и алгоритмов воздушного счисления пути малогабаритной магнитоинерциальной навигационной системы в различных системах координат, которые определяют состав входных информативных сигналов, в том числе необходимость использования информации об углах наклона (крена и тангажа (дифферента)) подвижного объекта. Показано, что известным алгоритмам определения углов крена и тангажа по информации о составляющих щ_x, щ_y, щ_z, угловой скорости подвижного объекта с использованием кинематических уравнений характерны накапливающиеся во времени погрешности, обусловленные погрешностями датчиков угловой скорости. Поэтому разработаны алгоритмы вычисления поправок и определения скорректированных углов наклона подвижного объекта с использованием сигналов трехкомпонентных магнитометров и акселерометров, входящих в состав магнитоинерциальной системы. Блок-схема реализации указанных алгоритмов приведена на рис. 1,

Рис. 1

где Г_с =[Ш_m, _с, г_с]^T - вектор углов курса, тангажа и крена ориентации подвижного объекта, вычисляемых по кинематическим уравнениям; J_m - угол магнитного наклонения в месте нахождения подвижного объекта; W_T - оператор связи вектора напряженности T_v магнитного поля на борту подвижного объекта с углами ориентации Ш_m, , г; W_fk - оператор вычисления поправок, оцениваемых вектором ДГ⁰=[ДШ⁰_m, Д⁰, Дг⁰]^T, по которой определяется скорректированный вектор углов ориентации подвижного объекта Г_s=Г_с-ДГ⁰; Ќ_d=C_cg(Г) Ќ_g - нормированный вектор напряженности Т_d магнитного поля на борту подвижного объекта, выдаваемый трехкомпонентным магнитометром; Ќ_v=C_cg(Г_c) Ќ_g - нормированный вектор напряженности Т_v, вычисленный на основе имеющейся информации о векторе Г_с углов ориентации подвижного объекта; Ќ_g - вектор нормированной напряженности магнитного поля Земли в месте нахождения подвижного объекта; С_cg - матрица направляющих косинусов, определяющая ориентацию связанной системы координат относительно географической земной системы координат; ДT=Ќ_d-Ќ_v - погрешность вычисленного значения вектора напряженности магнитного поля подвижного объекта. Значения векторов Ќ_d, Ќ_v и Ќ_g определяются соотношениями

; . (1)

Поправки по углам ориентации подвижного объекта определяются в соответствии с векторным уравнением

ДГ =Н^-1(Г_c, Ќ_g)М(Ќ_d - С_cg (Г_c)М Ќ_g), (2)

где ;

Так как аэрометрический канал счисления пути не обеспечивает измерение текущего значения скорости U и угла направления д ветра, то это также приводит к накапливающейся во времени погрешности определения координат местоположения подвижного объекта. Инструментальные погрешности измерения первичных навигационных параметров подвижного объекта вызывают дополнительные накапливающиеся погрешности, снижающие точность работы малогабаритной магнитоинерциальной навигационной системы, особенно при решении задачи дальней навигации. Для уменьшения накапливающихся погрешностей малогабаритной магнитоинерциальной навигационной системы из-за неполной информации о параметрах ветра и погрешностей датчиков первичной навигационной информации при решении задач дальней навигации предлагается периодически комплексировать аэрометрический канал счисления пути со спутниковой радионавигационной системой по схеме разностного сигнала с использованием фильтра Калмана (рис. 2). Операторное уравнение наблюдения фильтра Калмана имеет вид

(3)

где.X₁(p) и.X₂(p) - изображения по Лапласу стационарных случайных погрешностей _1,2 комплексируемых измерительных каналов; F(p) - передаточная функция фильтра Калмана. Поскольку в уравнении наблюдения помехи _?,₂ имеют вид «цветного» шума, то для получения уравнения наблюдения в стандартной (типовой) форме, сформирован новый сигнал, поступающий на вход фильтра вида

(4)

Тогда для нового расширенного вектора состояния системы имеем

ц_H = [L₂L₁]• + о_H; (5)

Или в векторно-матричной форме

Ї = F?Z + H?о; ц_H=C?Z+о_H, где о_H . (6)

Тогда уравнение фильтра Калмана будет иметь стандартный вид

=G(t)•[ц(t) - C(t)•Z⁰(t)]+F(t)•Z⁰(t), (7)

Ковариационная матрица Q_оH для белого шума будет равна

Q_{оH =} M₁? R₁? M + M₂?R₂? M; M₁ = B₁? H₁; M₂ = H? B₂ ?H_2. (8)

Таким образом, задача снижения накапливающихся погрешностей сведена к стандартной форме фильтра Калмана, что позволяет использовать имеющиеся наработки по программным средствам фильтра Калмана при реализации малогабаритной магнитоинерциальной навигационной системы. На рис. 3 приведен график изменения среднеквадратической погрешности определения северной составляющей путевой скорости подвижного объекта с фильтрацией по Калману при среднеквадратических значениях погрешностей измерения воздушной скорости у_?v = 5 м/с и скорости ветра у_?u = 20 м/с, который свидетельствует об эффективности разработанных алгоритмов. При переходе комплексированной малогабаритной навигационной системы в автономный режим оценки параметров, полученные фильтром Калмана, предлагается сохранить в «замороженном» виде до следующего режима коррекции.

В третьей главе разработаны методика анализа точности и математические модели погрешностей малогабаритной магнитоинерциальной навигационной системы.

Введя в рассмотрение вектор X погрешностей измерения первичных навигационных параметров и используя линейную часть разложения в ряд Тейлора вектора W_g путевой скорости, получено соотношение для вектора W_g погрешности определения путевой скорости подвижного объекта в виде

W_g=C_d X, (9)

где C_d - матрица расчетных коэффициентов C_ij влияния погрешностей измерения первичных навигационных параметров X_g0(Z_g0), V_B, U, , d, , на погрешность определения координат местоположения подвижного объекта.

Получены математические модели для коэффициентов влияния C_ij и систематических погрешностей малогабаритной магнитоинерциальной навигационной системы в условной горизонтальной и географической земной системах координат.

Отмечается, что в соответствии с корреляционной теорией случайные погрешности Дх_i датчиков первичных навигационных параметров могут описываться априорной, квазиапостериорной и апостериорной корреляционными функциями, дисперсии которых определяются соответственно соотношениями

(10)

где и - среднеквадратическое значение и постоянная корреляции случайной погрешности Дх_i.

Так как координаты местоположения подвижного объекта связаны с первичными навигационными параметрами через операцию интегрирования, то, применяя линейный оператор интегрирования к корреляционным функциям погрешностей датчиков с учетом их коэффициентов влияния C_ij =, получены соотношения для дисперсий погрешностей определения координат местоположения подвижного объекта в условной горизонтальной системе координат, например, для координаты х вида

 (11)

где - функция влияния оператора линейного интегрировния на дисперсию погрешности датчика навигационного параметра x_i.

С увеличением времени t дисперсии составляющих погрешности малогабаритной автономной магнитоинерциальной навигационной системы в режиме воздушного счисления линейно возрастает, поэтому при известных и можно оценить влияние каждой из составляющих на результирующие среднеквадратические погрешности и определения координат местоположения подвижного объекта, что позволяет решать задачу параметрического синтеза системы.

В режиме коррекции по результатам комплексной обработки информации аэрометрического канала счисления пути и спутниковой радионавигационной системы оцениваются погрешности определения географических координат ц и л местоположения объекта

(12)

и формируются скорректированные выходные сигналы малогабаритной магнитоинерциальной навигационной системы

. (13)

Вычисляются скорректированные значения истинного курса , углов крена и тангажа (дифферента) по соотношениям

(14)

где , , - значения углов магнитного курса, тангажа и крена, определяемые в магнитоинерциальном канале автономной навигационной системы.

Измеряемые малогабаритной навигационной системой координаты местоположения подвижного объекта в общем случае являются случайным вектором положения, погрешности измерения которого обусловливают его рассеяние. С использованием положений корреляционной теории погрешностей разработана методика построения эллипса рассеяния местоположения подвижного объекта. В частности, вводя в рассмотрение корреляционную функцию К_ДХ погрешностей датчиков первичной навигационной информации, корреляционная функция К_ДS погрешности определения координат места подвижного объекта будет равна

. (15)

и местоположение О_м подвижного объекта для нормального закона распределения погрешностей в интервале ± определяется эллипсом рассеивания (рис. 4) с параметрами полуосей:

где

у_max, у_min - среднеквадратические значения погрешности.

Угол ориентации большой оси эллипса ц определяется как:

sin 2ц =; cos 2ц = ;

При =3 предельная относительная радиальная погрешность определения места положения подвижного объекта автономной малогабаритной магнитоинерциальной навигационной системы равна:

., где (16)

W_g - горизонтальная проекция вектора путевой скорости подвижного объекта. На рис. 5 приведены графики, иллюстрирующие влияние относительных погрешностей xx аэрометрического канала (д_v=VV, д_u=U /U, д_в=/, д_б=/) (а) и абсолютных погрешностей Г() углового положения подвижного объекта (б) на изменение значения предельной относительной радиальной погрешности определения местоположения объекта с параметрами движения: V = 100 м/с, U = 20 м/с, = 180 град, = 45 град, г = 5 град, = 5 град, при .

Разработанные модели погрешностей малогабаритной магнитоинерциальной навигационной системы позволяют решать задачи точностного анализа и синтеза различных вариантов системы.

В четвертой главе раскрываются методики синтеза вариантов малогабаритной магнитоинерциальной навигационной системы по точностным и комплексному критериям. Используя подход, предложенный Браславским Д.А., разработана методика формирования требований по точности к функциональным элементам системы на этапе проектирования. Определены функции влияния систематических и случайных погрешностей функциональных элементов на соответствующие результирующие составляющие погрешности навигационной системы в выбранной системе координат. При заданных значениях допустимых систематической и случайной составляющих погрешности и максимального времени Т_max

работы магнитоинерциальной навигационной системы в автономном режиме определены требования к допустимым погрешностям датчиков первичной навигационной информации и устройства обработки информации. В частности, допустимые значения дисперсий случайных погрешностей измерения воздушной скорости , курса , величины и направления ветра, угла скольжения , и угла атаки при заданных дисперсиях допустимых погрешностей и определения координат местоположения подвижного объекта в горизонтальной земной системе координат OX_g Z_g определяются из соотношений вида

(17)

где N - число учитываемых составляющих погрешностей, например, N=6.

Показано, что с учетом наличия накапливающихся во времени погрешностей основной задачей синтеза малогабаритной магнитоинерциальной навигационной системы ближней навигации при заданном значении Т_max продолжительности работы системы в автономном режиме является минимизация случайной составляющей погрешности, обусловленной неточностью определения параметров ветра на маршруте. Для решения данной задачи при допущении, что случайные процессы измерения координат местоположения и параметров ветра являются стационарными и некоррелированными, предложено использовать линейный оптимальный фильтр Винера. Получены соотношения для корреляционных функций составляющих погрешностей определения координат местоположения подвижного объекта из-за недостоверной информации о ветре, в соответствии с которой определена передаточная функция фильтра Винера в виде

(18)

где

;

, и , - параметры корреляционных функций изменения координат X_g, Z_g и погрешностей X_g, Z_g системы из-за недостоверной информации о ветре.

Получены соотношения для дисперсий остаточных погрешностей определения координат местоположения подвижного объекта малогабаритной навигационной системы ближней навигации, обусловленных неточностью определения параметров ветра.

Показано, что задача параметрического синтеза малогабаритной магнитоинерциальной навигационной системы дальней навигации заключается в выборе оптимальных значений постоянных интегрирования Т_N и Т_E по каналам «северной» V_N и «восточной» V_E составляющих путевой скорости в режиме периодической кратковременной спутниковой коррекции, при которых дисперсии погрешностей и минимальны. Получены уравнения для определения оптимальных значений постоянных интегрирования вида

(19)

При этом дисперсии остаточных погрешностей определения составляющих V_N и V_E в режиме спутниковой коррекции определяются соотношениями

(20)

В соответствии с оптимальными значениями постоянных интегрирования получены уравнения для текущих значений дисперсии (t) погрешностей определения северной S_N и восточной S_E координат местоположения подвижного объекта, например, вида

 (21)

где b₀, b₁, b₂, b₃, - параметры, полученные из решения векторно - матричного уравнения

. (22)

Характер изменения остаточной погрешности малогабаритной магнитоинерциальной навигационной системы дальней навигации при периодическом (Т_п=300с) кратковременном (Т=3с) включении спутниковой коррекции показан на рис. 6, который показывает, что через 3 включения канала спутниковой коррекции остаточная относительная случайная погрешность системы не превышает 1% от пройденного пути. Предложенная методика параметрического синтеза малогабаритной магнитоинерциальной навигационной системы дальней навигации позволяет минимизировать дисперсии погрешностей определения составляющих путевой скорости и анализировать характер изменения дисперсии погрешностей определения координат местонахождения во времени, проводить моделирование и последующий выбор периодичности использования дополнительной информации от спутниковой радионавигационной системы.

Разнообразие объектов применения и особенности навигационных задач, решаемых навигационными системами ближней и дальней навигации определили необходимость определения типажа малогабаритной магнитоинерциальной навигационной системы, основные характеристики объектов которого должны удовлетворять условиям оптимального «парка», сформированного по показателям «эффект-затраты». Раскрывается известная методика выбора оптимального типажа применительно к малогабаритной магнитоинерциальной навигационной системе.

В пятой главе приведены результаты имитационного моделирования, экспериментального исследования и применения вариантов малогабаритной магнитоинерциальной навигационной системы.

Для проведения имитационного моделирования и наземной отработки малогабаритной магнитоинерциальной навигационной системы беспилотного летательного аппарата (БПЛА) класса «Дань», разрабатываемой по заданию ОАО «Опытно-конструкторское бюро «Сокол», создан алгоритмический и программный моделирующий комплекс с использованием пакетов Matlab 6.4 и Simulink 4. На рис. 7 показаны программная траектория (а) движения БПЛА и характер изменения среднеквадратических погрешностей определения северной DSwan и восточной DSwae координат местоположения объекта (б) при его движениипо программной траектории. Всплески погрешностей DSwan и DSwae соответствуют резким изменениям курса БПЛА, которые далее сглаживаются за счет эффективной работы фильтра Калмана, учитывающего неполную информацию о параметрах ветра на маршруте движения. Как показали натурные испытания опытного образца малогабаритной магнитоинерциальной навигационной системы на БПЛА класса «Дань» результаты натурного эксперимента хорошо согласуются с результатами моделирования, что свидетельствует об адекватности разработанных алгоритмов и предложенных методик обеспечения точности работы малогабаритной магнитоинерциальной навигационной системы в автономном режиме.

На рис. показана фотография комплекта малогабаритной навигационной системы пилотажно-навигационного комплекса ПНК-163 БПЛА класса «Дань».

Данная автономная навигационная система прошла лабораторные, стендовые и натурные испытания и передана в эксплуатацию на ОАО «Опытно-конструкторское бюро «Сокол».

В рамках совместных ОКР ОАО «Научно-производственный комплекс «Элара» имени Г.А. Ильенко» и ОАО «Ульяновское конструкторское бюро приборостроения» проводится разработка малогабаритной магнитоинерциальной навигационной системы вертолета с каналом периодической спутниковой коррекции. На рис. 9 приведен эллипс рассеяния погрешностей определения северной и восточной координат местоположения вертолета при моделировании малогабаритной комплексированной магнитоинерциальной навигационной системы. Как показывает моделирование, среднеквадратическая погрешность определения координат местоположения вертолета с использованием малогабаритной комплексированной магнитоинерциальной навигационной системы равна у_?с ? 9,5 м и практически совпадает со среднеквадратической погрешностью используемой спутниковой радионавигационной системы.

По заданию ФГУП ЦНИИ «Дельфин» разработана автономная магнитоинерциальная навигационная система, предназначенная для применения в составе комплексов «Чардаш» на высокоманевренных кораблях заказов 1001, 11711. Комплектация навигационной системы представлена на рис. 10. Проведенные ходовые испытания навигационной системы подтвердили соответствие системы требованиям технических условий КГИВ.402115.001-01ТУ. По заданию ОАО «Центральное конструкторское бюро по судам на подводных крыльях им. Р.Е. Алексеева» разработана магнитоинерциальная навигационная система, предназначенная для использования в составе навигационного оборудования проектируемого для ВМФ России катера с воздушной каверной, а также навигационная система для применения в составе навигационного оборудования скоростных катеров проектов 21820 и 21850.

Намечены направления дальнейших исследований по совершенствованию малогабаритной магнитоинерциальной навигационной системы за счет улучшения характеристик функциональных элементов системы, повышения эффективности алгоритмов обработки первичной навигационной информации и корректирующих сигналов, повышения автономности и скрытности малогабаритной комплексированной магнитоинерциальной навигационной системы, которые позволяют расширить область эффективного применения системы на малоразмерных и сверхлегких летательных аппаратах, экранопланах и других подвижных объектах.

В приложении приведены листинг-отчет программы моделирования малогабаритной навигационной системы беспилотного летательного аппарата, имитационная модель малогабаритной комплексированной магнитоинерциальной навигационной системы вертолета, акты внедрения и использования результатов исследования.

Заключение

1. Анализ состояния, направлений разработок и областей применения средств навигации транспортных средств и других подвижных объектов показал, что с позиции уменьшения массы, габаритов, стоимости, автономности функционирования, универсальности алгоритмического и программного обеспечения и других показателей конкурентоспособности для систем управления широкого класса подвижных объектов перспективным является создание малогабаритной магнитоинерциальной навигационной системы среднего класса точности.

2. Отсутствие научно-обоснованной методики системного проектирования, моделирования и экспериментального исследования, анализа и обеспечения точности работы сдерживает разработку и применение малогабаритных магнитоинерциальных навигационных систем, что определило постановку задачи научного исследования по разработке структурных построений, алгоритмов обработки измерительной информации, математического описания, методов повышения точности, системного проектирования и исследования вариантов малогабаритной магнитоинерциальной навигационной системы.

3. Разработанные теоретические основы построения алгоритмического обеспечения, методики проектирования, учета неполной информации о параметрах ветра и компенсации погрешностей других датчиков первичной навигационной информации являются фундаментальной базой для анализа и синтеза автономных и комплексированных малогабаритных магнитоинерциальных навигационных систем.

4. Разработанные математические модели, проведенный анализ, методики расчета и количественная оценка составляющих погрешностей малогабаритной магнитоинерциальной навигационной системы позволяют обоснованно выбирать пути повышения точности автономных и комплексированных магнитоинерциальных навигационных систем, в том числе с использованием методов оптимального синтеза и фильтрации погрешностей.

5. Разработанные методики формирования требований к функциональным элементам и синтеза автономной и комплексированной магнитоинерциальной навигационной системы позволяют обоснованно проводить проектирование, имитационное моделирование и оценку эффективности различных вариантов и модификаций системы.

6. Результаты имитационного моделирования, изготовления и экспериментального исследования вариантов малогабаритной магнитоинерциальной навигационной системы подтверждают адекватность разработанных моделей и алгоритмов, эффективность предложенных методов повышения точности, методик проектирования и разработанного алгоритмического обеспечения, определяют направления совершенствования и расширения области применения малогабаритной магнитоинерциальной навигационной системы.

7. Результаты исследования и разработки реализованы при создании опытных образцов малогабаритной магнитоинерциальной навигационной системы, которые внедрены на ОАО «Опытно-конструкторское бюро «Сокол» (г. Казань) в составе пилотажно-навигационного комплекса ПНК-163 беспилотного летательного аппарата «Дань», на высокоманевренных кораблях заказов 1001, 11711 в составе комплексов «Чардаш», на скоростных катерах проектов 21280, 21250. Результаты исследования используются при разработке резервной малогабаритной навигационной системы вертолетов и в учебном процессе.

8. Применение разработанных вариантов малогабаритной магнитоинерциальной навигационной системы решает актуальную для авиации, судостроения и других отраслей промышленности задачу обеспечения позиционирования, безопасности движения по маршруту и эффективности применения транспортных средств и других подвижных объектов, при этом внедрение их в производство и эксплуатацию позволяет исключить закупку дорогостоящего зарубежного оборудования, что имеет существенное значение для экономики и обороноспособности страны.

Основные публикации по теме диссертации

1. Олаев В.А. Параметрический синтез навигационной системы на базе магнито-инерциального датчика курса / В.А. Олаев // Известия вузов. Авиационная техника. -2009. - №1. - С. 56-58.

2. Олаев В.А. Алгоритмическое обеспечение малогабаритной навигационной системы на базе магнито-инерциального датчика курса/В.А. Олаев // Известия вузов. Авиационная техника. -2009. - №2. - С. 54 -57.

3. Патент RU №2130588 С1 (МКИ GO1С 21/08). Способ измерения магнитного курса подвижного объекта / В.А. Архипов, Н.К. Ветошкина, В.Ф. Зузлов, С.О. Лебедев, А.А. Потапов, В.А. Олаев; заявл. 01 06 1998; опубл. 20 01 1999. - Бюл. №14.

4. Патент RU №2210060 С2 (МКИ GO1С 17/38). Способ цифровой компенсации электромагнитной девиации для магнитного электронного компаса и устройство для его осуществления / С.О. Лебедев, Н.К. Ветошкина, А.А. Потапов, В.А. Архипов, Г.А. Ильенко, Р.М. Кушаев, В.М. Иванов, В.А. Олаев, М.А. Евдокимов; заявл. 01 01 2002; опубл. 01 01 2003. - Бюл. №22.

5. Архипов В.А. Магнитный горизонтокомпас ДС-83 как средство повышения эффективности навигационной безопасности /В.А. Архипов, С.О. Лебедев, А.А. Потапов, В.А. Олаев // Сборник докладов IV Российской научно-практической конференции «Современное состояние, проблемы навигации и океанографии». - С. Пб.: ГНИНГИ МО РФ. - 2001. - С. 119-123.

6. Архипов В.А. Автономная навигационная система на базе магнитного компаса /В.А. Архипов, В.А. Олаев, А.А. Потапов // Сборник докладов научно-практической конференции Российского форума «Авиационные технологии и оборудование». - Казань: Издательство Казан. гос. техн. ун-та, - 2003. - С. 135-143.

7. Архипов В.А. Автономная навигационная система на базе магнитного датчика курса с аэрометрической и спутниковой коррекции /В.А. Архипов, В.А. Олаев, А.А. Порунов, А.А. Потапов, В.М. Солдаткин // Материалы Всероссийской научно-практической конференции «Авиакосмические технологии и оборудование». - Казань: Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, - 2004. - С. 465-471.

8. Архипов В.А. Автономная навигационная система на базе магнитного компаса и аэрометрического канала коррекции /В.А. Архипов, В.А. Олаев, А.А. Порунов, А.А. Потапов, В.М. Солдаткин // Материалы XVI научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления». - М.: МГИЭМ. - 2004. - С. 235-237.

9. Архипов В.А. Принципы и схемы построения комплексированной автономной навигационной системы. /В.А. Архипов, В.А. Олаев, А.А. Порунов, А.А. Потапов, В.М. Солдаткин // Научно-практический сборник «Электронное приборостроение». -2004. Вып. 5 (39). - Казань: ЗАО «Новое знание». - С. 16-27.

10. Олаев В.А. Анализ характеристик комплексных навигационных систем /В.А. Олаев // Материалы XVI научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления». - М.: МГИЭМ. - 2004. - С. 238 -240.

11. Архипов В.А Малогабаритная пилотажно-навигационная система /В.А. Архипов, С.О. Лебедев, В.А. Олаев, А.А. Порунов, В.М. Солдаткин // Авиакосмическое приборостроение. -2005. - №11. - С. 14-21.

12. Олаев В.А. Обоснование структуры малогабаритной автономной навигационной системы на основе магнитного датчика курса, аэрометрического и спутникового каналов / В.А. Олаев // Материалы Международной научно-практической конференции «Авиационные технологии и оборудование. Казань -2006». - Казань: Изд-во Казан. гос. техн. ун-та. - 2006. - С. 162-164.

13. Архипов В.А. Интегрированная магнитоинерциальная система ориентации летательного аппарата. / В.А. Архипов, С.О. Лебедев, В.А. Олаев, А.А. Потапов // Актуальные проблемы авиационных и аэрокосмических систем. - 2007. Вып. №3 (25). - С. 152-158.

14. Олаев В.А. Учет неопределенностей информации в каналах малогабаритной навигационной системы на базе магнито-инерциального датчика курса /В.А. Олаев // Материалы Международной научно-практической конференции «Современные технологии - ключевое звено в возрождении отечественного авиастроения». - Том 2. - Казань: Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, - 2008. - С. 180-186.

Размещено на Allbest.ru

...