Прикладные методы обработки информации и моделирования при проектировании информационно-управляющих комплексов высокоманевренных летательных аппаратов

В качестве обобщенного критерия качества принимается функционал

где: pii - диагональные элементы ковариационной матрицы вектора состояния Хф; сi - весовые коэффициенты; m - количество оцениваемых переменных.

Для настройки параметров фильтра используется минимаксный критерий качества [5, 7, 26], который для временного интервала коррекции tkt0, T, множества типичных законов изменения параметров движения и траекторий полета ВМЛА, для которого элементы переходной матрицы F фильтра образуют множество VF, множества VQ и VR значений параметров входных и измерительных шумов системы, множества VPo начальных значений ковариационной матрицы Р, множеств VQc и VRc варьируемых параметров фильтра запишется в виде:

Jo = min max J

Qc VQc F VF tkt0, T

Rc VRc Q VQ R VR Po VPo

Для каждого режима работы и состава измерителей ИУК существует наилучшая структура оцениваемого вектора состояния и параметров настройки фильтра, которые определяются в ходе наземных и уточняются в процессе летных испытаний. Рекомендуемый порядок наращивания модели: 1) ядро вектора состояния, 2) постоянные случайные дрейфы, 3) динамические дрейфы, 4) смещения нулей акселерометров. Размерность модели, используемой для построения фильтра, зависит от точности и стабильности корректирующей информации и от располагаемой вычислительной мощности. На основе разработанного метода предложены структуры моделей базовых систем бортовых комплексов разных ЛА.

Разработаны алгоритмы КОИ обзорно-прицельных (ОПС) и навигационных систем (НС), основанные на решении векторного треугольника положения (рис. 9). При известной величине , выбираемой из бортовой базы данных, использование информации ОПС о векторе обеспечивает решение задач коррекции ИНС (рис. 10а) и контроля спутниковых НС (рис. 10б) с целью обеспечения информационной целостности и помехозащищенности комплекса.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 9. Векторный треугольник положения в задачах КОИ

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

а) коррекция ИНС б) контроль точности СНС

Рис. 10. Схема КОИ ОПС и НС

В любом случае по информации ОПС и модели информационного поля (МИП) ориентиров формируется вектор , который сравнивается с вектором , определяемым контролируемым каналом. Невязка обрабатывается с помощью фильтра и формируется оценка погрешностей НС. На рис. 10 обозначены: ФП - блок формирования параметров треугольника, ФН - формирование невязок, АОИ - автономная обработка информации, ПЗФ - помехозащитный фильтр, ФКП - формирование корректирующих поправок. Современные ОПС, при уровне собственных погрешностей 5?10 м по дальности и 7?10' по углам, способны эффективно решать эти задачи.

Разработаны алгоритмы решения задачи микронавигации - определения параметров движения точки ЛА, удаленной от его центра масс. Вблизи от точки интереса устанавливаются акселерометры и гироскопы, на которых строится БИНС. Задача микронавигации сводится к КОИ центральной ИНС комплекса, установленной вблизи центра масс ЛА, СНС и БИНС. Предложена двухступенчатая система адаптивно-робастной КОИ: СНС-ИНС и ИНС-БИНС (рис. 11). Показано, что использование высокочастотного (до 20 Гц) замкнутого контура коррекции БИНС по ИНС, юстировки инерциальных систем на уровне 2?3` и синхронизации их информации на уровне 10 мс обеспечивает высокое качество микронавигации (до 0,5 м/с по скорости) даже в условиях упругих деформаций носовой части ЛА в пределах 20?30'.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 11. Схема КОИ при решении задачи микронавигации

Рассмотрены методы КОИ при организации резервного режима довыставки БИНС на подвижном основании (корабле) с помощью встроенного приемника СНС. Особенностями сформированных алгоритмов являются разомкнутая схема включения фильтра и использование метода быстрой адаптации. Методами математического моделирования установлено, что алгоритм оценивания погрешностей БИНС и их последующего прогноза и компенсации может обеспечить точность счисления координат до 1?2 миль за час, а автономные погрешности при этих условиях могут достигать 15 миль за час. Разработанные алгоритмы легли в основу ПМО бортового комплекса ВМЛА палубного базирования в части обеспечения режима довыставки и коррекции БИНС для последующих натурных испытаний.

Разработаны алгоритмы КОИ аэрометрических и высокоточных НС, основанные на решении векторного треугольника скоростей (рис. 12).

Здесь - вектор скорости ЛА относительно атмосферы; - вектор скорости ЛА относительно Земли; - ветер. Алгоритм КОИ работает в двух режимах: коррекция аэрометрического канала и обеспечение режима сверхманевренности.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 12. Векторный треугольник скоростей в задачах КОИ

В первом случае осуществляется формирование невязки между точной НС и аэрометрическим каналом, в результате адаптивно-робастной обработки которой формируются оценки ветра и погрешностей измерителей воздушной скорости и аэродинамических углов (рис. 13а). Во втором случае, когда ВМЛА переходит в режим полета с углами атаки 60о и более и эти измерители теряют работоспособность, осуществляется расчет значений аэродинамических углов ?, ? и воздушной скорости по информации НС и АРФК (рис. 13б). Погрешность расчета аэродинамических величин при этом составляет около 1%. На рис. 13 обозначены: КВ - курсовертикаль, АЭР - аэрометрические приборы.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

а) режим коррекции б) режим сверхманевренности

Рис. 13. Схема КОИ аэродинамического и навигационного каналов

Обеспечение за счет КОИ информационной целостности комплекса в режиме сверхманевренности существенно расширяет функциональные возможности ИУК и эффективность действия ВМЛА.

Рассмотрено также применение математического моделирования при разработке алгоритмов решения задач самолетовождения для групповых действий в плотном строю. Приведенные в главе результаты неоднократно публиковались автором и использовались при решении многих прикладных задач [2, 3, 5, 7, 24, 26, 29].

В главе 6 «Математическое моделирование при решении проблем повышения качества информационного обеспечения бортовых комплексов ВМЛА» приведены основные результаты применения изложенных теоретических положений к решению практических задач разработки и исследования ИУК ВМЛА на завершающих этапах ОКР.

В первом разделе рассмотрены [22] вопросы математического моделирования применительно к задаче информационной интеграции серийной ИНС средней точности и высокоточного приемника СНС, осуществляемой в рамках модернизации ИУК строевых ВМЛА. Выбрана разомкнутая схема системы как требующая минимальной доработки модернизируемого комплекса (рис. 14). Сформирован базовый вектор Х состояния модели ошибок ИНС, на начальном этапе включавший: Vпл, Vпл, Фпл, Фпл, Фпл, 0, , , построены алгоритмы формирования информационных невязок инерциального и спутникового каналов, а также обработки этих невязок и формирования оценок вектора состояния.

С целью компенсации выявленного в ходе летных испытаний влияния динамических дрейфов гироскопов, разработан метод его автоматической калибровки на борту. Для этого в состав вектора состояния Х включены четыре коэффициента динамических дрейфов горизонтальных каналов - величины ?/а, ??/а, ?/а?, ??/а? и по результатам моделирования сформирован облик алгоритмов КОИ и подобраны параметры настройки алгоритмов выделения и компенсации влияния дрейфов[22]. Летные испытания показали, что доработанное таким образом ПМО в режиме прогноза обеспечивает высокую точность комплекса: в течение часа после 5-минутного сеанса коррекции ошибки комплексных координат не превысили 500 м по долготе ? и 800 м по широте ?, а автономных за то же время - 4100 м и 4500 м соответственно.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 14. Схема комплексирования ИНС и СНС

Во втором разделе рассмотрены вопросы математического моделирования и обработки информации ИУК ВМЛА поколения 4+. В рамках решения задачи синтезированы алгоритмы КОИ ИНС, СНС и доплеровского измерителя скорости и сноса [2, 3, 5, 23]. Особое внимание уделено проблеме идентификации курсовой погрешности, для чего разработана и внедрена сетевая структура алгоритмов фильтрации [2, 5]. Достигнутая точность коррекции курса, обеспечивающая высокое качество решения задач комплекса, подтверждена летными испытаниями (табл. 1).

Проведено исследование возможности использования разработанных алгоритмов КОИ для послеполетного экспресс-анализа. Установлено, что качество оценивания курсовой погрешности с помощью разработанного алгоритма КОИ соответствует качеству существующих сертифицированных средств послеполетной обработки данных [23] (рис. 15).

Таблица 1. Точность формирования навигационных параметров

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 15. Точность послеполетной оценки погрешности курса

В третьем разделе рассмотрены вопросы моделирования на этапе испытаний при обеспечении точности начальной выставки (НВ) ИНС палубного базирования. Разработка алгоритма НВ проводилась на стендах, обеспечивающих имитацию угловой качки или линейных колебаний. Натурные испытания на море выявили некорректность настроек алгоритмов из-за несоответствия условий проведения испытаний на море и на лабораторных стендах. Доведение ПМО НВ ИНС выполнено в два этапа:

· доработка стенда угловой качки до комплексного;

· настройка на нем алгоритма НВ до требуемого качества выставки.

Можно считать, что в реальных условиях на море акселерометры ИНС ЛА измеряют ускорение

,

где - абсолютное ускорение точки С стартовой позиции ЛА на палубе; , абсолютные угловые ускорение и скорость корабля; вектор положения ИНС ЛА относительно точки С; , скорость и ускорение движения ЛА относительно корабля. Стенд угловой качки не предусматривает моделирование слагаемых , , и , а в модели ускорения отсутствует составляющая от орбитального движения корабля. Для доработки стенда в его состав введены блоки, вычисляющие недостающие слагаемые и прибавляющие соответствующие поправки к сигналам, поступающим на вход ПМО НВ. Контрольные эксперименты показали, что поведение выходных параметров алгоритма НВ ИНС на доработанном стенде вполне соответствует тому, что наблюдалось в натурных работах на море. После этого была проведена серия экспериментов по моделированию различных условий движения и качки, в ходе которых осуществлена настройка параметров алгоритма начальной выставки, обеспечивающая требуемую точность. Результаты повторных натурных испытаний на море (табл. 2) полностью удовлетворяют требованиям ТЗ.

Таблица 2

Результаты натурных испытаний алгоритма начальной выставки

Применение методов математического моделирования позволило в условиях ограниченного лимита времени и средств решить важную научно-техническую проблему испытаний и доработки режима начальной выставки ИНС ЛА палубного базирования и обеспечить сдачу объектов заказчику.

Основные научно-технические выводы по работе

1. Для обеспечения выполнения функциональных задач ВМЛА во всех условиях применения необходимо построение многоуровневой системы алгоритмов адаптивно-робастной комплексной обработки информации, моделирующей состояние объектов в информационном пространстве.

2. Методической основой алгоритмов КОИ ИУК ВМЛА, обеспечивающей информационное единство и целостность комплекса, является модель информационного пространства на базе семейства уровневых поверхностей и системы координатных трехгранников, причем наилучшая точность навигационных определений достигается при использовании квазиэллипсоидов. Бесселево отображение квазиэллипсоида обеспечивает построение системы бортовых алгоритмов решения позиционных задач с высокой точностью.

3. Адаптивность моделей и алгоритмов КОИ ИУК к различным условиям применения обеспечивается методами: априорной адаптации на основе ковариационного анализа и минимаксного критерия качества, текущей адаптации на основе согласования расчетной и фактической ковариаций и сетевой фильтрации данных, и долгосрочной адаптации с использованием энергонезависимой памяти комплекса.

4. Информационной основой ИУК ВМЛА являются ИНС, унифицированные математические модели погрешностей которых строятся на базе малых векторов поворотов координатных трехгранников, а также «скалярного» и «векторного» методов определения погрешностей счисления скорости. Применимость аналитических методов контроля точности алгоритмов перспективных БИНС, реализующих измерение и обработку «квазикоординат», ограничена динамикой объекта.

5. Методической основой математического моделирования ИУК ВМЛА в лабораторных условиях, обеспечивающей высокое качество результатов и их соответствие экспериментальным данным, является эталонная траектория. Требованиям, предъявленным к эталону, удовлетворяет траекторная информация, полученная методом аналитического восстановления кубических сплайн-аппроксимаций результатов натурных работ.

6. Методы автоматической калибровки на борту на основе субоптимальной фильтрации текущих измерений и лабораторной калибровки по результатам анализа полетных данных обеспечивают высокую эффективность компенсации динамических дрейфов платформенных ИНС модернизируемых комплексов серийных ВМЛА.

7. Метод субоптимальной обработки записанной в полете комплексной информации обеспечивает проведение оперативного экспресс-контроля точности работы ИУК ВМЛА.

8. Метод полунатурных испытаний режима начальной выставки ИНС на качающемся основании, предусматривающий корректировку выходных сигналов измерительных приборов на рассчитываемые величины поправок, соответствующие моделируемому движению объекта, по своим возможностям настройки и контроля алгоритмов ИНС эквивалентен натурным испытаниям.

В заключении сформулированы главные теоретические и практические итоги диссертации: развитие теории обработки бортовой информации и прикладных методов моделирования ИУК ВМЛА, проверка теоретических положений полунатурными экспериментами и летными испытаниями, внедрение полученных результатов в серийное производство.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Бабиченко А.В., Орехов М.И., Рогалев А.П. Основы построения системы комплексной обработки информации в интегрированных комплексах бортового оборудования перспективных многофункциональных летательных аппаратов // Авиакосмическое приборостроение.- 2007.-№ 2. - С.43-49.

2. Рогалев А.П., Бабиченко А.В. Математическое моделирование инерциально-спутниковых систем навигации и управления летательных аппаратов // Информационные технологии в проектировании и производстве. 2002. - № 4. - С. 60-71.

3. Рогалев А.П., Бабиченко А.В. Методы и алгоритмы интеграции данных инерциально-спутниковых навигационных систем // Авиакосмическое приборостроение. 2002. - №4. - С. 9-24.

4. Рогалев А.П., Бабиченко А.В., Радченко И.В. Математическое моделирование эталонной фазовой траектории движения летательного аппарата в околоземном навигационном пространстве // Авиакосмическое приборостроение. - 2002. - №6. - С.29-32.

5. Интегрированная динамически реконфигурируемая система комплексной обработки информации бортовых комплексов навигации, управления и наведения / Г.И. Джанджгава, А.П. Рогалев, А.В. Бабиченко, С.Я. Сухоруков Авиакосмическое приборостроение. - 2002. - № 6. - С.8-14.

6. Бабиченко А.В. Геометрия базовых поверхностей околоземного навигационного пространства // Авиакосмическое приборостроение. -2008. - № 8. - С. 33-47.

7. Джанджгава Г.И., Рогалев А.П., Бабиченко А.В. Интегрированная адаптивно-робастная система обработки информации с переменной управляемой структурой // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. - 2000. - № 8. - С.73-77.

8. Комплексная обработка информации навигационных и обзорно-прицельных систем / Г.И. Джанджгава, А.П. Рогалев, С.Я. Сухоруков, А.В. Бабиченко // Авиакосмическое приборостроение. - 2002. - № 6. - С.15-29.

9. Комплексная обработка информации инерциальных навигационных систем в режиме начальной выставки ИНС на палубе корабля / Г.И. Джанджгава, А.П. Рогалев, В.И. Манохин, А.В. Бабиченко Авиакосмическое приборостроение. - 2007. - №2. - С.22-35.

10. Пат. 2232376 (РФ), МПК G01С 23/00. Информационно-управляющий комплекс многофункциональных летательных аппаратов / А.В. Бабиченко, Г.И. Герасимов, Г.И. Джанджгава, В.В. Кавинский, В.В. Негриков, М.И. Орехов, В.П. Полосенко, А.П. Рогалев, А.А. Семаш, К.В. Шелепень. - Заявлено 25.09.03; Опубл. 10.07.04, Бюл. № 19.

11. Пат. 2232102 (РФ), МПК B64С 13/00. Распределенный информационно-управляющий комплекс группы многофункциональных летательных аппаратов / А.В. Бабиченко, В.М. Бражник, Г.И. Герасимов, В.С. Горб, Г.М. Гущин, Г.И. Джанджгава, В.В. Кавинский, В.В. Негриков, М.И. Орехов, В.П. Полосенко, А.П. Рогалев, А.А. Семаш, К.В. Шелепень, В.М. Шерман. - Заявлено 21.10.03; Опубл. 10.07.04, Бюл. № 19.

12. Пат. 2232377 (РФ), МПК G01С 23/00. Распределенный информационно -управляющий комплекс подвижных объектов / А.В. Бабиченко, Г.И. Герасимов, Г.И. Джанджгава, В.В. Кавинский, В.И. Манохин, В.В. Негри-ков, М.И. Орехов, В.П. Полосенко, А.П. Рогалев, А.А. Семаш, К.В. Шеле- пень, В.М. Шерман.- Заявлено 25.09.03; Опубл. 10.07.04, Бюл. №19.

13. Пат. 2238522 (РФ), МПК B64С 13/00. Комплекс начальной выставки инерциальной системы / А.В. Бабиченко, К.А. Бахонин, В.Л. Будкин, С.М. Габбасов, В.П. Голиков, Г.И. Джанджгава, С.В. Ларионов, В.С. Магнусов, В.И. Манохин, В.В. Негриков, В.П. Полосенко, В.М. Шерман - Заявлено 27.11.03; Опубл. 20.10.04, Бюл. № 29.

14. Пат. 2263280 (РФ), МПК G01C 23/00. Комплексная информационная система / А.В. Бабиченко, В.М. Бражник, В.Н. Вишнева, С.М. Габбасов, Г.И. Джанджгава, В.И. Манохин, А.С. Никулин, М.И. Орехов, В.П. Полосенко, А.П. Рогалев, С.Я. Сухоруков, К.В. Шелепень. - Заявлено 23.03.04; Опубл. 27.10.05, Бюл. № 30.

15. Пат. 2263281 (РФ), МПК G01C 23/00. Комплексная навигационная система / А.В. Бабиченко, В.М. Бражник, Г.И. Герасимов, Г.И. Джанджгава, В.В. Кавинский, О.И. Куколевский, А.С. Никулин, М.И. Орехов, И.В. Радченко, А.П. Рогалев, С.Я. Сухоруков, К.В. Шелепень. - Заявлено 23.03.04; Опубл. 27.10.05, Бюл. № 30.

16. Пат. 2265190 (РФ), МПК G01C 23/00. Комплексная навигационная система / А.В. Бабиченко, В.М. Бражник, Г.И. Герасимов, Г.И. Джанджгава, В.В. Кавинский, А.С. Никулин, М.И. Орехов, И.В. Радченко, А.П. Рогалев, С.Я. Сухоруков, К.В. Шелепень, В.К. Шкред. - Заявлено 23.03.04; Опубл. 27.11.05, Бюл. № 33.

17. Пат. 2260177 (РФ), МПК G01C 23/00. Комплексная навигационная система / А.В. Бабиченко, В.М. Бражник, Г.И. Герасимов, Г.И. Джанджга- ва, В.В. Кавинский, М.И. Орехов, И.В. Радченко, А.П. Рогалев, К.В. Шеле- пень, В.К. Шкред. - Заявлено 23.03.04; Опубл. 10.09.05, Бюл. № 25.

18. Пат. на пол. модель № 34724 (РФ), МПК 7G01C23/00. Комплексная навигационная система / Г.И. Джанджгава, А.В. Бабиченко, В.С. Горб, С.Н. Ищенко, В.В. Кавинский, В.И. Логинов, А.С. Никулин, А.А. Никулина, М.И. Орехов, А.А. Семаш. - Заявлено 24.06.03; Опубл. 10.12.03, Бюл. № 34.

19. Развитие интеллектуальных интегрированных комплексов бортового оборудования навигации, управления и наведения летательных аппаратов в разработках Раменского приборостроительного конструкторского бюро /Г.И. Джанджгава, Г.И. Герасимов, П.Ю. Петкевичюс, С.Я. Сухоруков, А.В. Бабиченко, И.А. Гайнуллин, А.В. Чернодаров // Авиакосмическое приборостроение. - 2008. - № 2. - С.2-10.

20. Полунатурное моделирование качки корабля в задачах обработки инерциальной информации / А.В. Бабиченко, В.П. Голиков, С.В. Ларионов, В.И.Манохин, И.В.Радченко, А.В.Требухов // Авиакосмическое приборостроение. - 2008. - № 11. - С. 55-58.

21. Алгоритмы решения задач бортовым комплексом навигации и управления летательного аппарата в режиме сверхманевренности / В.М. Бражник, А.П. Рогалев, А.В. Бабиченко, А.С. Никулин, С.Я. Сухоруков //Авиакосмическое приборостроение. - 2002. - №6. - С.33-34.

22. Бабиченко А.В., Никулин А.С., Радченко И.В. Информационная интеграция инерциальной и спутниковой навигационных систем в модернизируемых бортовых комплексах высокоманевренных летательных аппаратов // Авиакосмическое приборостроение. - 2008.- № 11. - С. 18-25.

23. Бабиченко А.В., Шкред В.К. Оценка курсовой погрешности инерциальных навигационных систем // Авиакосмическое приборостроение. - 2008. - № 11. С.12-17.

24. Гайнуллин И.А., Бабиченко А.В. Математическое моделирование ситуационной системы интеллектуальной поддержки решения задач самолетовождения в плотном строю // Авиакосмическое приборостроение. - 2008. - № 11. - С.45-54.

25. Бабиченко А.В. Метод построения алгоритмов обработки информации бесплатформенной инерциальной навигационной системой // Научно-методические материалы по системам навигации и управления летательными аппаратами / Под ред. В.П.Харькова. - М.: ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, 1995. - 180 с.

26. Бабиченко А.В., Джанджгава Г.И., Рогалев А.П. Оптимизация математической модели ошибок БИНС и их коррекция от спутниковой навигационной системы //Гироскопия и навигация.- 1996.- № 2.- С. 50-51.

27. Бабиченко А.В., Некрасов А.В. Математические модели нейронных сетей в задачах пилотажно-навигационного комплекса // Авиакосмическое приборостроение. - 2008. - №11. - С. 33-40.

28. Бабиченко А.В., Рогалев А.П. К вопросу о контроле точности алгоритмов БИНС // Авиакосмическое приборостроение. - 2006. - № 10. - С.27-29.

29. Рогалев А.П., Бабиченко А.В. Исследование методов комплексирования бесплатформенных инерциальных и спутниковых навигационных систем // Научно-методические материалы по системам навигации и управления летательными аппаратами / Под ред. В.П. Харькова. - М.: ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, 1995. - 180 с.

30. Чернодаров А.В., Бабиченко А.В. Контроль и адаптивно-робастная защита целостности инерциальных измерительных модулей //Авиакосмическое приборостроение. - 2008. - №11. - С.59-64.

31. Пат. 2241208 (РФ), МПК B64С 13/00. Измеритель курса подвижного объекта / А.В. Бабиченко, В.Н. Вишнева, С.М. Габбасов, Г.И. Джанджгава, В.С. Магнусов, В.И. Манохин, В.В. Негриков, М.И. Орехов, В.П. Поло- сенко, А.П. Рогалев. - Заявлено 04.12.03; Опубл. 27.11.04, Бюл. № 33.

32. Пат. 2209747 (РФ), МПК B 64D 45/00. Пилотажный индикатор / А.В. Бабиченко, М.И. Орехов, И.В. Радченко, В.К. Шкред. - Заявлено 21.08.01; Опубл. 10.08.03, Бюл. № 22.

33. Пат. 2011170 (РФ), МПК G01С21/00. Способ определения координат подвижного объекта / А.В. Бабиченко. - Заявлено 04.10.91; Опубл. 15.04.94, Бюл. № 7.

34. Пат. 2059205 (РФ), МПК G01C21/00. Способ определения параметров ориентации и навигации подвижных объектов / А.В. Бабиченко. - Заявлено 15.05.92; Опубл. 27.04.96, Бюл. № 12.

35. Пат. 2079141 (РФ), МПК G01P3/36. Датчик абсолютной линейной скорости объекта / Бабиченко А.В. - Заявлено 14.10.92; Опубл. 10.05.97, Бюл. № 13.

Размещено на Allbest.ur