автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.03, диссертация на тему:Алгоритмическая компенсация погрешностей наземной инерциальной навигационно-геодезической системы

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ, ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ И ТЕХНИЧЕСКОЙ ПОЛИТИКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Московский ордена Ленина, ордена Октябрьской Революция и ордена Трудового Красного Знамени государственный технический университет имени Н.Э.Баумана

На правах рукописи Для служебного пользования Эко. №

МОКРУШЕВ Андрей Борисович

АЛГОРИТМИЧЕСКАЯ КОМПЕНСАЦИЯ ПОГРЕШНОСТЕЙ НАЗЕМНОЙ ИНЕРЦИАЛЬНОЙ НАВИГАЦИОННО-ГЕОДЕЗИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

05.11.03 —- Гироскопы, навигационные приборы и комплексы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Работа выполнена в Московской ГЬсударственноы техническом университете имени Н.Э.Бауиана

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор САЛЫЧЕВ О.С.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, оам. глав-

ного конструктора РЕШЕТНИКОВ В.0.

кандидат технических наук, ведущий специалист РОГА Л ЕВ А.П.

Ведущее предприятие: НИИ Автоматики и приборостроения

Защита диссертации состоятся * * 1993 г. на оаседанни

специалиоированвого Совета Х053.15.02 в Московском 1Ъсударственвом техническом университете им. Н.Э.Баумана по адресу:

107005, Москва, Б-5, 2-я Бауманская уя., д. 5.

Ваш отоыв на автореферат в 1 еко., оаверенный печатью, просим выедать по вышеуказанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Автореферат раоосгал " " 199 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ специализированного совета к.т.н., доцент

Г.К.ЕРМОЛАЕВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Использование инерциальных навитационно-геодеоических систем (ИНГС) в геодеоии и топографии является новым, совершенно отличным от предыдущих методом геоде-оических измерений на оемнои поверхности. Важными преимуществами метода являются его автономность, помехозащищенность и скрытность работы,

ИПГС устанавливаете* на объекте, движущемся по поверхности Земли и преднадначена для высокоточного определения местоположения методом счисления пути.

В состав ИНГС входит ннерциальная навигационная система (ИНС) и специальное вычислительное устройство.

Датчиками первичной информации о параметрам поступательного и угяового движения объекта в ЙНС являются акселерометры и гироскопы, действие которых основано на чаконах инерции. Текущие оначения линейной старости и координат объекта определяются в соответствии с оадашшм алгоритмом в вычислителе ИНС по их иовестным начальным оначениям и выходным сигналам акселерометров, ориентация измерительных осей готорых в пространстве обеспечивается с помощью гироскопов.

Вычислитель ЙНС реализует алгоритмы работы, выставки и калибровки системы.

Блок ввода начальных данных обеспечивает задание начальных она-чешш координат и составляющих линейной скорости в соответствии с реализуемым алгоритмом работы ИНС.

Основным показателем качества ЙНС является точность, характеризуемая ее выходными ошибками, то есть ошибками в определении координат, составляющих линейной скорости и углов ориентации объекта. Наиболее существенными причинами возникновения выходных ошибок ИНС являются инструментальные ошибки ее функциональных элементов (гироскопов, акселерометров, вычислительных устройств), которые принято наоывать входными ошибками, а также ошибки начальной выставки. Иовестпы два пути повышения точности: улучшение технических характеристик функциональных элементов и алгоритмическая компенсация погрешностей системы. На современном этапе в связи с бурным раовптием вычислительной техники (повышение быстродействия, уменьшение массы и габаритов) на первый план выходит второй способ, так как ие требуя больших дополнительных оатрат пооволяет оначительно повысить точность системы.

В геодеоических исследованиях допускается ошибка в определении местоположения не более 1-2 метров. ТЬчности, достигнутые современными ИНС, не удовлетворяют этим требованиям. Для получения высокой точности необходима оценить ошибка, допускаемые ЙНС и скомпенсировать их. С етоя целью в инерциальных навитационно-геодеоических системах исшльоуются периодические остановки объекта, во время го-

торых шиеряютса ошибки ИНС в определении скорости. На основании этих измерений возможно получить оценки ошибок ИНС в определении местоположения. Оценка производится и специальном вычислительном устройстве, входящей в состав ННГС. При этом точность оценивания во многой оависит от исполшуемого алгоритма.

Существуют два способа обработки навягацпонно-геодеоической информации: в реальном масштабе времени и послемаршрутная обработка.

В первом случае оценивание ошибок ИНС происходит прямо на борту объекта во время движения по маршруту. Для отого чаще всего исполюуется алгоритм оптимальной фильтрации Калмала. При отом ошибки в определении местоположения достигают оиаченай 5-15 метров оа 1 час работы.

Во втором случае реаупьтаты гошерений накапливаются в бортовом вычислителе, а после прохождения маршрута дополнительно обрабатываются в вычислительном центре специальными алгоритмами сглаживания п окончательной доводи. В отои случае ошибка составляет 0,6-1,5 метра оа 1 час работы.

Посяемаршрутная обработка информации оанпмает, хах правило, несколько дней. Соодание алгоритма, позволяющего получать ошибку оценивания на уровне 1-2 метров в реальном масштабе времена поово-дит отЕаоатьса от послемаршрутной обработки, тем самым ¡значительно сократив врем обработки информации. Вследствие отого реи ко повысится производительность системы.

Целью работы является разработка, реализация и испытание нового метода обработки навигационных параметров , основанного на яс-подьоовашга волновых алгоритмов оценивания п обладающего большей точностью определенна текущих координат по сравнению с известными аналогами.

Методы исследований. Теоретические исследования проводились с ислйльоованюем представления модели ошибок ЙНС в пространстве состояний (теория идентификации). Оценивание ошибок проводилось с помощью метода интерполяционных кривых, алгоритма оптимальной фильтрации Калмала., а также впервые реализованного волнового алгоритма, основанного на нестатистическои описании входных возмущений. Математическое моделирование эксперимента проводилось па персональной ЭВМ типа IBM АТ-286. Экспериментальные исследования проводились на макетах ннерцаалькоп иавагацпоиио-геодеоической системы, сооданиых в МГТУ ям. Н.Э.Баумана на баое ИНС И-11, И-21, по раоработанным автором программам.

ТТаучиая новиопа, Раоработаи и реализован новый метод текущей обработки навигационной информации с испольоованием измерений ИНС в режимах остановки, основанный на волновом алгоритме оценивали.«. В работе докапано и экспериментально подтверждено, что укапанный метод обладает рядом преимуществ по сравнению с традиционными

методами (филътр Калмана, сглаживание интерполяционными кривыми п та! далее). К отгш преимуществам могут быть отнесены более высокая точность определения координат, а также отсутствие необходимости в точном определении статистических характеристик погрешности чувствительных олемептов, входящих в состав ИНС.

Практическая ценность работы.

1. Создано и реализовало на макетной обраоце программное обеспечение, реалвоующее угиоюптя метод для автономного счисленпв кг>-ордпнат п режиме периодической о станами о 6i.es та.

2. Испытания макетного обраоца с предлагаемым программным обеспечением покапало существенное повышение точности счисления координат, что в конечном итоге позволит существенно увеличить производительность геодеоической съемки местности оа счет откаоа от после-маршрутной обработки анфорнации.

Виедреняе работы, Раоработанное программное обеспечений обработки информации внедрено в макетный образец НИИ Информатики и систем управления МГТУ им.Н.Э.Баумана (НИИ ИСУ, г.Москва) в соответствии с международными договорами с университетами Цяяь-Хуа (КНР) п Калгари (Канада).

Апробация работы. Основные иопожения диссертационной работы доложены и обсуждены ламеждународной научно-технической конференции по гироскопической технике (Моагяа, 1991г.), а также на международном совещании и г.Лолиь (КПР).

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит по введения, трех глав, выводов по каждой главе, (заключения и списка литературы. Работа положена па 124 страницах машинописного текста, содержит 20 рисунков, 4 таблицы и 44 наименовании литературных источников.

У

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано, обоснование актуальности соодания новых высокоточных алгоритмов оценивания ошибок ИНС. Сформулирована цель работы и определены о а дач и исследования. Представлены основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава диссертации посвящена использованию инерциаль-ных навигационных систем в геодеоип и топографии.

Отмечены некоторые особенности применения ИНС в оадачах геодезии в отллчин от оадач навигации. В навигации ИНС выдает непрерывную информацию о координатах местоположения, линейной старости, а также углах ориентация движущегося объекта в реальном масштабе времени. В геодеони требуется информация о местоположении, а иногда и о составляющих гравитационного поля в дискретных точках. Причем на вреиа обработки информации, как правило, ист жестких ограничений. Обычно результаты комерсний накапливаются в бортопом вычислит«;»*,

а после прохождения маршрута обрабатываются в вычислительном центре, где л восстанавливается весь маршрут. Это пооволяет значительно повысить достоверность полученной геодеоической информации.

Современные высокоточные ИНС достигли точности (1а) в определении местоположения — 200 м, оа 1 час работы; скорости — 15 см/с.; углового положения — 1-2 угловых минуты.

Однако в геодезических исследованиях требуется точность на дна порядка выше. Для получения высокой точности необходимо оценить ошибки, допускаемые ИНС п скомпенсировать их. С этой целью в автономных ииерциалышх навигационно-теодеоЕческих системах исполь-оуют прием, известный в литературе как получение данных о нулевой скорости шш ZUPT (zeio velocity update). CyTi его оаключается в следующем: при выполнении ZUPT объект останавливается на 10-60 секунд. В отот момент его скорость равна нулю, а на выходах первых интеграторов есть ненулевая информация о скорости движения объекта. Эта информация складывается ш двух составляющих: ошибки ИПС в определении скорости п измерительного шума. Измерительный шум обусловлен ограниченностью размерности разрядной сетки вычислителя, а также колебаниями объекта от работы двигателе и другими причинами. Во время остановки идет серия измерений ошибок ИПС в определении скорости. Затеи объект снова начинает движенце. Для получения достаточной точности время между ZUPT должно быть 2-4 минуты. Tax им обраоом, характер движения объекта является периодически! п представляет собой чередование движения и остановок объекта. При ысполь-оовании ZUPT ошибка ИНС в определении скорости становится тшеря-емой, и следствии чего можно оценить ошибки позиционирования.

Впервые инерциальные методы в геодеопи были применены в системах топогеодеоического обеспечения (ТГО) полевой артиллерии США. Испольоование их было вызвано необходимостью повысить точность н сократить время иоыеренпя координат огневых пооиций, орнентир-ных направлений и других олзментов боевого порядка артиллерийских по драо делений, поскольку ошибка определения местоположения огневого средства является одним ио основных факторов, влияющих на величину промаха.

По принципу действия системы ТГО сухопутных войск делятся на неавтономные, требующие исжшдовалия внешних источников данных (например, сигналов спутниковой навигационной системы ПАВСТАР), и автономные, в таких источника* не нуждающиеся.

Системы ТГО полевой артиллерии — ото в основном автономные инерциальные системы, измеряющие географические координаты и высоту носителя лад уровнем моря при движении из точки с известным местоположением методом счисления пути. Акселерометры, сигналы которых служат для расчета скорости движения, а оатем пройденного пути, и гиродатчикн направления, применяемые в системах, устанавливаются на стабилизированной по трем осям-платформе. Ошибки гироскопических

устройств, вызываемые суточный вращением Земли и силами Корио-лиса, автоматически устраняются при остановках носителя.

В настоящее время на мировой рынок поступают четыре ннерцп-альных навигационно-геодеопческих системы гражданского применения. Она выпускаются фирмами: Litton (США), Ferrant) (Великобритания), Honeywell (США), SAGEM (Франция). Системы с успехом испольоуются для быстрой геодеоической съемки местности, исследования и регистрации дорог, закрытых кабелей, трубопроводов и т.д., то есть там, где необходимо собрать большое количество данных о местоположении па короткий промежуток временя. Основной режим работы — автономный, но на некоторых системах предусмотрена яоррекция от спутниковой навигационной системы GPS (Global Pozition System). Точность позиционирования во многом оавислт от ннерциальных датчиков и способа обработки данных, и составляет в реальном масштабе времени 515 метров за 1 час работы, а при послемаршрутной обработке — 0,6-1,5 метра. В реальном масштабе времена для оценки ошибок ИНС используется в основном фильтр Калмана, а при послемаршрутной обработке

— специальные алгоритмы сглаживания я выравнивания. Масса систем колеблется в пределах 50-100 кг., что поопомет устанавливать их на вертолет или легковой автомобиль.

Анализ сущестаующих систем похаоал, что требуемая в геодеопче-сжпх исследованиях точность позиционирования (1-2 метра) достигается только при послемаршрутной обработке.

Во второй главе подробно рассматриваются алгоритмы оценивания инструментальных ошибок автономной ИНГС на основе использования полученной в ZUPTe скоростной информации. Предлагается совершенно новый метод оценивания ошибок ИНС, основанный не на статистическом описании входных вооыущений, а на представлении их в виде волнового процесса.

Наиболее простым способом оценивания ошибок ИНГС в определении местоположения является метод интерполяционных кривых. При выполнении ZUPT измеряется ошибка ИНГС в определении скорости

— ÔV. Иа отдельных оначенин 6V . полученных в ZUPTax , получают гладкую непрерывную кривую ÔV(i) на протяжении всего времени работы системы с помощью сплайн -интерполяции. Далее полученные значения ошибка по скорости интегрируются и получается ошибка ИНГС в определении местоположения. Следует отметить, что вычисления ведутся по каждому каналу отдельно в реальном масштабе времени. Этот способ оценки не требует большого объема вычислений и запоминания большого количества информации, однако точность оценивания невысока вследствие попытки очень приближенного описания ошибок 6V. Этот метод реализован в обоорной системе шотландской фирмой Fer-ranti.

Наибольшее распространение для оценивания ошибок ИНГС получил алгоритм дискретного оптимального фильтра (фильтр Калмана).

Фильтр Каямана предназначен дм оценивания переменных состояния системы по да1шьш намерения выходных сигналов етой системы, содержащих случайные ошибки измерения (измерительный шум). Оценка, оптимальна в том смысле, что сумма хвадратов ошибок оценивания переменных состояния в любой момент времени имеет наименьшее воомож-иое оначеняе. Следовательно, фяльгр Калмана предиаоначен для наилучшего в указанном выше смысле восстановления переменных состояния, то есть для оптимального подавления измерительного шума. При отом оценхе с помощью фильтра Калмана доступны лишь переменные состояния, являющиеся наблюдаемыми по результатам иомерения выходных сигналов.

Ери испольоовании метода оптимальной фильтрации в ИПГС оа уравнения объекта наблюдения принимаются уравнения ошибок ЙНС, оаписашше в дискретном матричном виде:

Хк — Ф-XV-i + GWi_i, (1)

где Xk — а-вех тор состояния; Ф — матрица системы (n х n); G — матрица входа (n х г); — г-вектор входного шума, предполагаемый белый гауссовым с нулевым математическим ожиданием и ковариационной матрицей MIW^W^] = Qk-i-

Часть комлоиент вектора состояния намеряется в соответствии с уравнением:

Zk-HXk + Vk, (2)

одесь Zk — ш-вехтор ноиерений; Ик — матрица намерений (m х n); Vk — ш-вектор ошибок намерения, который предполагается белым гауссовым с нулевым математическим ожиданием в ковариационной матрицей M[VkV?\ = R.

В правые части уравнений ошибок ИНГС входят погрешности чувствительных олементов, такие как скорости дрейфа гироскопов, погрешности акселерометров и уклонении отвесной линии. Обычно втн погрешности считают цветным шумом, поэтому для их описания исполь-оуют уравнение формирующего фильтра, оторый преобраоовывает бе-дый шум в цветной:

+ (3)

где Б — входное воомущенне;

¡3 — средняя частота случайного изменения вооыущения;

R — интенсивность входного шума;

W(t) — входной белый шум с единичной интенсивностью.

Оптимальная оценка вектора состояния определяется ио следующего уравнения:

Хл = ФХ*_, + Kk{Zk - НФХк^),

(4).

где Jfo^Û; А = 1,2,3,-... .

Здесь -

Pk,k-i = ФР^-хФ * + GQCP;--

Кк = Pt,i-iHr [HPt^_1Hr+ Я]-' ;

Р4 = {1-КкЩ Р*,*-„

где X — оценка вектора состояния; Ф - матрица системы; G — матрица входа; Q — M[WkWJ] — ковариационная матрица входных шумов; R = — ковариационная матрица измерительных шумов; II

— матрица измерений; I — единичная матрица; Pjt/>—! — априорная ковариационная матрица ошибок оценивания; Pfc — апостериорная ковариационная матрица ошибок оценивания; Р0 = A/[A'oA'J].

Уравнения оптимальной фильтрации очень удобны для вычисления на ЦВМ и могут использоваться в реальном масштабе времени.

Предлагаемый новый способ оценки вектора состояния динамической системы основан не на статистическом, а волновом описании входных возмущений. Впервые волновое представление случайных воому-щений в задачах оценивания вектора состояния было предложено Са-дычевте О.С. ( Salychev O.S., Bykovsky A.V. Wave method in processing navigation information in survey systems // Proceedings of the International Symposium on Kinematic Systems in Geodesy, Surveying, and Remote Ssnsii!».— Banff, Canada, 1990, September. — p.238-247. ).

Весь класс воомущеппп W(t), тоторые встречаются в реальных системах, можно разделить па две категория: возмущения тппа шума и возмущения волновой структуры. Реализация шумовых возмущений имеет ярко выраженный хаотический характер с реокнми изломами и скачками, а реализация возмущений хатегории волновой структуры имеет чзтжо различимые волнообразные формы. Типичные примеры возмущений, имеющих волнообразную структуру, показаны на рис. 1, 2, 3. Шумовые воздействия наилучшим образом могут быть описаны в статистических терминах таких, как "белый шум", "цветной шум" и так далее. При этом используются такие статистические свойства, как математическое ожидание, дисперсия, корреляционная функция н так далее. Статистический подход представляется особенно удачным для тех процессов, характер изменения тоторых практически не поддается аналитическому описанию. В то время как волновое представление случайных процессов может быть записало в виде:

W{t) = Cdiit) + СгШ) + ... + C«Mt), (5)

где fi(t),fi(t),-- .,/»(0 —известныебазовые функции; СиСг,...^Сп — неизвестные весовые коэффициенты, которые время от времени скачком поменяют свои значения.

Уравнение (5), описывающее волновой процесс W(t), является неон редеяенным, поскольку неизвестно время и величина появления коэффициентов СьСг, ...,СД. Эта неопределенность указывает на то, что W(t)

в принципе относится не * детермииировалньш, а. случайным процессам. Баоовые фуикцнв /i(f),/i(t),...,/»(t) — суть яовестные функции времени, которые определяются в реоудьтате визуального или численного анализа экспериментальных оаписей W(t).

V/

П

ч

Рис. 1

Рис.3

Статистическое описание возмущений несет информацию о среднем она-чении иоменения всюмущеняи, & также о его величине. При етом характер изменения конкретной реалноадии W(t) на малых отреоках времени обычно остается вне рамок статистического описания процесса.

Однако во многих прикладных о а дачах (например, таких хах оценивание иавягацнонно-геодеоическод информации) интерес представляет рассмотрение возмущении не на длительном, а ла коротком интервале времени. Здесь статистическое описание вряд ли может быть полеоным, а эффективным является волновое описание неизвестных воомущений, так хая посводяет определить характер изменения W(t) оа счет оадання вида баоовых функций Д(1),/■(»),...,/»(*).

Для проектирования приборов н систем часто удобнее использовать описание воомущений не в виде (5), а в виде уравнения соответствующей модели состояния. Основываясь на нахождении преобраоованвй Лапласа от баоовых функций, можно привести модель состояния к следующему виду:

+ (6) где — внешняя вынуждающая функция, учитывающая математически возможные скачкообразные изменения коэффициентов С,. Она состоит то последовательности подлостью исиввестных случайно появляющихся импульсных функций случайной интенсивности (типа одинарной, двойной, тронной и так далее функций Дирака).

.л

Oi-2 7... tf

Jf/

к

Рис. 4

Будем полагать, что отличный от нуля вектор импульсов 6° появляется один pao в N тактов, как ото показано яа рис.4. Ткким образом, оа счет снижения точности аппроксимации W(t) вооможно снять неопределенность следования импульсов 0°. Необходимо помнить, что в случае постановки оадачн оценивания переменных состояния системы точность аппроксимация W(t) не является самоцелью. Важным является лишь влияние ошибок аппроксимации воомущений на точность описания выходных переменных состояния фшической системы, а ато уже, главный обраоом, будет оавясеть от ее полосы пропускания. Другими словам« те составляющие спектра воомущений, которые находятся в диапазоне полосы пропускания, описываются в рамках волновой модели, а более высокочастотные — сглаживаются самой фионческой системой, которая в данном случае играет роль полосового фильтра.

Э

Поставим оадачу оценки вектора состояния (6) по тежущим намерениям:

Zk = EXu + Vk.- (7)

Будем полагать, что начальное оначеяие вектора состояния равно нулю, то есть Хо = 0, что не является жестким ограничением, так км неизвестное начальное он&чение вектора состояния может быть учтено соответствующим выбором вектора

Рассмотрим процесс оценивания вектора состояния на первом интервале времени в N тактов (к=1,2,3,.. .,N).

Введем в рассмотрение вспомогательный вектор Sk, который подчиняется следующему рекуррентному уравнению:

Sk+l — Ф/fe+l (8)

где ^ = b=l,2,3,...,N-l.

Подставляя последовательно уравнение (6) в выражение (7) К pao, а также учитывал соотношение (8) и А'о = 0, получим:

Zx = II Хх 4- ^ = ЕФ^Хо + H él + Vi = H Si + Vi;

Z2 = IIХг -i- Ц = ЛФ, !Ф; оЛ'о ■+ ИФг,Л + V2 = IIS2 + V2;

..................................................................(9)

Z„ = IIXN + VN = ЙФ^.,.. -Фа.аХо +

.. .Ф2,Л° + V¡; = IISN + VN.

Определим оценку вектора ¿¡д.. Уравнеяае (8) описывает динамику гоменеппя вектора S, а выражения: (9) являются по существу уравнениями намерений вектора S.

Воспользуемся уравнениями традиционного фильтра Кадиана, тогда оценка S будет определяться ira следующих соотношений:

§ш = ФшЛ + - НФ*+,Л)> (Ю)

где §i — 0; k=l,2,3,...,N-l. •

Матрица коэффициентов К^ вычисляется по известным уравнениям фильтра Кадмана: ■ •

Рм.'к = Ф^.ЛФГ-н,«;

Кш - Рад^рР^^ + Д^]-1; (11)

.... Ры = (I-KiHH)Pl4U, . ,

где P^MfoS?}; =

После того,, как оценка S»/ к концу N-ro такта (k=N) будет получена, возможно подучить оценку вектора состояния в N-и момент врс-менн в соответствии с выражением: . '

A',v = ... ФцоХо + S„. (12)

Па следующем интервале времени протяженностью N тактов вы топление оценок вектора и вектора состоания Х2м осуществляется аналогично.

Процедура оценивали по предлагаемому алгоритму сводится к следующему. Весь интервал оценивания разбивается на отрезки времени (которые в дальнейшем будем называть циклами), кратные N тактам проведения померенпй. В каждом цикле определяют оценку вспомогательного псхтора Э, подчиняющегося уравнению (8). После того оценивают вектор состояния в соответствия с уравнением (12). Оцезгку вектора состояния находят лишь в уоловых точках времена, кратных числу N проведения измерений. Если необходимо восстановить оценки вектора состояния между узловыми точками оценивания (то есть между точками N и 2Ы, 2Й п ЗМ, ЗК и 41^, п так далее), то оценки вектора состояния следует искать в соответствии с уравнениями:

~ + ■З'лг+Г»

Хп+1 = Ф^+г.^-иФл-н.лгЛ'лг +

= + (13)

Здесь

Точность статистических алгоритмов принципиально ограничена уровнем входных шумов. Использование волнового алгоритма оперирует : уравнением системы в отсутствии каких-либо белых шумов на ее входе. Гем самым волновой алгоритм является принципиально более точным по сравнению со статистическими аналогами, поскольку поовояяет снять ¡гкаоанное ограничение. При этом однако необходимо помнить, что указанный вывод будет справедлив в случае адекватности реальных воому-сцений и их волновой модели. Это условие будет выполняться для линейных систем, обладающих достаточно уокой полосой пропускания в области низких частот* классическим примером которых являются ИНС.

Для работы ИНГС характерно прерывистое поступление измерении, то есть измерения поступают только во время ЯиРТ. Исходя ив »того волновой алгоритм оценивания будет несколько раолнчлым для мо-иентов поступления и отсутствия измерений. Во время поступления измерений оценивание вспомогательного вектора Б происходит по выше ^писанному алгоритму (10), а и отсутствии измерений оптимальная матрица усиления Къ+х обнуляется в оценка вектора 5 определяется

И

путем пропгоопровалил:

=

при этом в каждом такте ггрогнооирования вычисляются также ковариационные матрицы ошибок оценивания:

Предлагаемый волновой алгоритм теоретически обладает рядом преимуществ: более высокая точность оценивания по сравнению с фильтром Каямана, а также отсутствие необходимости в априорной статистической информации о входных шумах.

В третьей главе приведены описание и результаты лабораторных испытаний двух- макетов ЙНГС, целью которых являлся сравнительный анализ волнового алгоритма и фильтра Капмана.

В ИНН ИСУ МГТУ им-Н.Э.Баумана были сооданы макеты ИНГС на баое серийных клерикальных навигационных систем И-11 и более совершенной модели И-21.

В состав макета входят: ИНС Н-11 (й-21), персональный компьютер тика РС АТ-286, пульт управления режимами и интерфейс, обеспечивающий обмен данными между ИНС и компьютером.

Система устанавливалась на стенде линейных и угловых перемещений с целью моделирования подвижного основания. Периодически имитировалась остановка объекта, во время которой осуществлялся съем ломерений ошибок системы в определении скорости. На основании полученной скоростной информации производилась оценка ошибок системы в определении местоположения. ТЬк как по условию эксперимента истинное местоположение известно, далее находились ошибки оценивания.

Каждая реализация обрабатывалась последовательно фильтром Калмана и волновым алгоритмом.

Сравнительный аналко двух алгоритмов показал, что точность оценивания ошибок местоположения волновым алгоритмом примерно на порядок выше, чем фильтром Калмапа.

Основные реоультаты диссертационной работы можно сформулировать следующим обраоом:

1. Выявлены особенности применения ЙИС в геодезии в отличии от оадач навигации, а именно:

-- точность, определения местоположения (1<т), достигнутая современными ИНС (200 м. оа 1 час работы), не удовлетворяет требованиям геодезических измерений, где требуется точность определения координат не хуже 1--2 метров;

Рц+1 = Р*+1,*"

(16)

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

— испопьоовапие режима кратковременных остановок для иомере-1Ш ошибок по «оростп (гиРТ) поовояяет повысить точность 1ШС до требуемого в геодеоии уровня.

2. Из приведенного обоора существующих ииерциальпых навпгационио-геодеоическлх систем установлено, что точность определения местоположения п реальном масштабе времени составляет 5-15 метров оа 1 час работы, а при послемаршрутной обработке —- 0,6—1,5 метра. Следовательно, требуемая в геодезических исследованиях точность достигается только при послемаргпрутно¡1 обработке информации.

3. В результате анализа уравнений ошибок автономной И ПС получены упрощенные однохалалыше уравнения ошибок, справедливые для ограниченного участка времени ( 1 час работы). Использование этих уравнении в алгоритмах оценивания позволяет оначйтельно сократить объем вычислении.

4. Раоработаи и реализовал новый, нетрадиционный алгоритм оце-пнваняя ошибок ПНС, основанный пе на статистическом описании входных вооиущений, а на представлении их в виде волнового процесса. Обоснованы такие преимущества нового алгоритма, зах более высокая точность оценивания, а также отсутствие необходимости в априорной статистической информации с входных шумах. Установлено, что волновой подход целесообраяно применять х системам, обладающим уокзк полосой "ропусканиа в области низких частот.

5. Проведенный на макетах ннерцнадьяон назигацтюнно--геодеоическои системы лабораторный оксперпмент ло определению точности оценивания ошибок ИНС покаоал работоспособность реализованного волнового алгоритма п подтвердил правильность основных положений, заложенных в алгоритм.

6. Сравнительный анализ волнового алгоритма и фильтра Калмана, проведенный по результатам испытаний, показал, что точность оценивания ошибок местоположения волновым алгоритмом примерно на порядок выше, чем фильтром Калмала. Следовательно, можно предположить, что испольоование волнового алгоритма для оценивания ошибок ИНС в инерциальных навпгациотю-геодеоических системах пооволит получить требуемую в геодеоии точность в реальном масштабе времени, не требуя дополнительной посиеиаршрутной обработки. Это поовояит оначи-телыю сократить время обработки информации и тем самым реоко повысить производительность инерциальных лавигацкоино-геодеоических систем.

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:

1. Мокрушев Л.Б. Обработка информации в обоорных пнерцналь-ши навигацпонпо-геодеоичемпх системах // Гироскопы, навигационные приборы и комплексы: Сборник статей / Под ред. С.Ф.Коновалова .— М.:Иод-во МГТУ, 1990.— С.109-112.