автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Алгоритмы комплексной инерциально-спутниковой навигационной системы для подвижных объектов с малым временем работы

выводы

Диссертационная работа посвящена разработке алгоритмов комплексной инерциально-спутниковой информационно-измерительной системы для применения в составе бортового комплекса управления высокодинамичных подвижных объектов с малым временем действия. При этом получены следующие результаты.

1. Поставлена задача разработки алгоритмов инерциально-спутниковой навигационной системы для подвижных объектов кратковременного действия, способных непрерывно обеспечивать систему управления движением достоверной навигационной информацией заданной точности в течение всего времени функционирования с учетом характера применения объекта, в том числе при наличии помеховых ситуаций ПСН.

2. Проведен анализ возможных схем построения комплексной системы с учетом имеющихся разработок в России и за рубежом, предложены два метода совместной обработки инерциальной и спутниковой информации: с комплекси-рованием по навигационным данным и сырой псевдодальномерной информации ПСН.

3. Проведен анализ свойств спутниковой информации по материалам, имеющимся в литературе и результатам натурных испытаний приемников на статическом рабочем месте, динамическом стенде и летающей лаборатории, рассмотрены возможные типы помеховых ситуаций и причины их возникновения исходя из характера применения подвижного объекта.

4. Проведен анализ свойств инерциальной информации БИНС, характеристик датчиков первичной информации, обоснована необходимость разработки новых алгоритмов ориентации и навигации с интегрированием уравнений движения в инерциальной системе координат, произведен вывод алгоритмов инерциальной навигации.

5. Рассмотрены основные погрешности инерциальных систем и чувствительных элементов, получены уравнения ошибок БИНС по местоположению и ориентации, приведено математическое описание системы уравнений в пространстве состояний и; осушестэлен анализ основных ошибок БИНС.

6. Предложены алгоритмы комплексирования БИНС со спутниковой навигационной системой на основе динамического фильтра Калмана в реальном времени с учетом полученных уравнений ошибок БИНС по положению и ориентации. Приведены уравнения для канала измерения комплексирующего фильтра при работе по псевдодальномерной информации ПСН.

7. Применительно к конкретному характеру применения подвижного объекта обоснована необходимость и целесообразность использования в ком-плексирующем фильтре укороченного вектора состояния, обеспечивающего оценивание обобщенных ошибок БИНС.

8. Предложено применение субоптимальных алгоритмов фильтрации на основе обновляемой, последовательности, обеспечивающих адаптивное определение матрицы ковариации измерительного шума и лучшую, по сравнению с оптимальным фильтром Калмана, отработку помеховых ситуаций.

9. Сформулирована идеология проведения непрерывной коррекции БИНС по результатам оценок, полученных комплексирующим фильтром. Применение непрерывной динамической коррекции БИНС по положению, ориентации и инструментальным ошибкам датчиков позволяет проводить комплексирование при работе БИНС в линейной области ошибок.

10. Рассмотрена и решена проблема необходимости проведения синхронизации измерений БИНС и ПСН и приведения всей информации к единому времени. Предложены функционально-информационная схема и состав функционального программного обеспечения КНС.

11. Получены алгоритмы комплексной обработки измерительной информации БИНС и ПСН, реализующие предложенную идеологию совместной обработки с применением субоптимального дискретного фильтра с комплексированием по навигационной информации БИНС/ПСН и с комплексированием по сырой псевдодальномерной спутниковой информации.

Предложенные алгоритмы позволяют гибко управлять процессом ком-плексирования при использовании различных датчиков первичной информации в составе БЧЭ БИНС и различных режимов работы СНС на основе выбора настройки фильтра.

12. Приведено описание методов, используемых разработчиками ИИС для отработки функционирования алгоритмов и систем в целом. Разработан цифровой математический комплекс для отработки комплексных систем подвижных объектов кратковременного действия, включающий в себя модели БЧЭ, БИНС, СНС, пен, объекта управления, формирования типовой траектории движения и эталонного движения с учетом внещней среды.

13. Представлены результаты математического моделирования алгоритмов комплексирования по навигационной информации и псевдоданным с имитацией помеховых ситуаций ПСИ при движении подвижного объекта по типовым высоко динамичным траекториям. Приведены результаты моделирования при использовании в модели ПСН результатов натурных испытаний приемников на динамическом стенде. Результаты проведенного моделирования показали полное соответствие функционирования алгоритмов предложенной идеологии организации КНС, работоспособность разработанных алгоритмов в условиях применения высоко динамичного подвижного объекта с малым временем непрерывной работы, возможность непрерывного обеспечения бортовой системы управления объекта достоверной навигационной информацией в условиях по-меховых ситуаций.

Заключение

В настоящей главе приведены методы, используемые разработчиками КНС для исследования функционирования алгоритмов и систем в целом. Приведены результаты испытаний разработанных алгоритмов комплексной инер-циально-спутниковой системы при математическом моделировании на цифровом комплексе для нескольких вариантов динамичных подвижных объектов кратковременного действия. Приведены результаты и сравнительный анализ вариантов комплексирования по навигационной информации и псевдоданным.

Результаты проведенного математического моделирования подтверждают работоспособность разработанных алгоритмов КНС для применения в составе БСУ подвижных высоко динамичных объектов с малым временем непрерывной работы. Применение разработанных алгоритмов в составе КНС позволяет непрерывно обеспечивать систему управления движением объекта достоверной навигационной информацией в течение всего времени функционирования в широких динамических диапазонах движения при наличии помеховых ситуаций пен.

Как показало проведенное моделирование, алгоритмическое преимущество схемы комплексирования по псевдоданным над комплексированием по навигационной информации достаточно заметно только при наличии в обработке информации от трех НС в силу коррекции вертикального канала. С учетом достаточно малой вероятности ситуации, когда в течение длительного времени будут доступны три НС по сравнению с любой другой конфигурацией спутников, можно утверждать, что разработанные алгоритмы комплексирова-ния по псевдодальномерной информации не дают существенного преимущества в точностных характеристиках над алгоритмами комплексирования по навигационной информации и затрачивают на выполнение значительно больше вычислительных ресурсов БЦВМ.

В связи со сказанным выше, при разработке алгоритмов инерциально-спутниковых систем управления подвижными объектами кратковременного действия рекомендуется применение методов комплексирования по навигационной (позиционной и скоростной) информации, как имеющих меньшую сложность, простоту реализации в БЦВМ и настройки фильтров и обеспечивающих БСУ объекта достоверной информацией приемлемой точности в условиях высокодинамичных траекторий в присутствии помеховых ситуаций ПСН, характерных для данного типа беспилотных летательных аппаратов с малым временем непрерывной работы.

1. G.Schanzer, BTiemeyer. 1.tegrated Precision Navigation System. AGARD Lecture Series 207, System Implications and Innovative Applications of Satellite Navigation, NATO, 1996.

2. R.M. Rodgers. Integrated INU/DGPS for Autonomus Vehicle Navigation. ION GPS-96 Proc. Nashwille, 1996

3. D.J.Weber. Integrated INS/GPS Navigation Systems for Tactical Applications. ION GPS-96 Proc. Nashwille, 1996

4. N.A.Carlson. Federated Filter for Computer-Efficient, Near-Optimal GPS Integration. ION GPS-96 Proc. Nashwille, 1996

5. B.D.McNally, R.A.Paiell, R.E.Bach, D.N.Warner. Flight Evaluation ofDifferen-tial GPS Aided Ineftial Navigation Systems. ION GPS-96 Proc. Nashwille, 1996

6. Phillips R.E., Schmidt G.T. "INS/GPS integration", AGARD Lecture Series 207, System Implications and Innvative Applications of Satellite Navigation, NATO, 1996.

7. Z.H. Lewantowicz. Opportunities and Challenges in Avionics Integration, INS/GPS A Case Study. AGARD Lecture Series 207, System Implications and Innvative Applications of Satellite Navigation, NATO, 1996.

8. Hileman B.R., Pinchak S.J. Increased combat Effectiveness with Embedded GPS/INS in A-10 Fighter Aircraft, 5 St.Petersburg International Conference about Integration Navigation Systems, St.Petersburg, May 1998.

9. Kaspar B., Dahlen N. Demonstration of the DARPA Global Positioning System Guidance Package on a U.S. Navy F/A-18, 5 St.Petersburg International Conference about Integration Navigation Systems, St.Petersburg, May 1998.

10. Pommllet P.E., Pontal D., Clemenceau P.J. Totem 3000: The New Generation of INS/GPS from Sextant Avionique, 5 St.Petersburg International Conference about Integration Navigation Systems, St.Petersburg, May 1998.

11. M.K. Martin, B.C. Detterich. The World's Smallest Military GPS/INS: P-MIGIT™ 2, ION GPS-98 Proc, 1998.

12. N.J.Dahlen, T.L.Caylor, E.L.Goldner. Result Tightly Coupled IFOG-Based GGP Implrmentation and Field Test. ION GPS-96 Proc. Nashwille, 1996

13. B.M.Kaspar, M.C.Redshaw. Results of Demonstration the GPS Guidance Package Integrated in An Army Fire Support Team Vehicle. ION GPS-96 Proc. Nashwille, 1996

14. M.B.M.Scherzinger, J.J.Hulton. Low Cost Inertial/GPS Integrated Position and Orientation System for Marine Applications. ION GPS-96 Proc. Nashwille, 1996

15. G. Barnes, S.Lee. INS/GPS Space Applications Space Application for All Flight Dynamics Boost Through Landing. ION GPS-96 Proc. Nashwille, 1996

16. J.F.McLellan, L.Friesen. Who Needs a 20 cm a 20cm Precision Farming System? ION GPS-96 Proc. Nashwille, 1996ly.D.T.Khight. Rapid Development of Tightly-Coupled GPS/INS System. ION GPS-96 Proc. Nashwille, 1996

17. Глобальная спутниковая радионавигационная система ГЛОНАСС/ Под ред. В. И. Харисова, А. И. Перова, В. А. Болдина.- М.: ИПРЖР, 1998. 400 с.

18. Ю.А. Соловьев. Системы спутниковой навигации. М.: Эко-Трендз, 2000. 20.0.С. Салычев. Инерциальные системы в навигации и геофизике. М.: изд-во

19. МГТУ им. Баумана, 360 с. 21.Обработка информации в навигационных комплексах/ О. А. Бабич.- М.: Машиностроение, 1991.-512 с.

20. СП. Дмитриев, О.А. Степанов, Д.А. Кошаев. Сравнительное исследование способов комплексирования данных о координатах и скорости при построении инерциально-спутниковых систем.// Гироскопия и навигация, №4, 1998

21. Г.И. Джанджгава,- А.П. Рогалев, А.В. Черногоров. Интегрированная обработка информации в бесплатформенных инерциально-спутниковых системах ориентации и навигации // Гироскопия и навигация, № 1, 1998

22. Веремеенко К.К., Тихонов В.А. Навигационно-посадочный комплекс на основе спутниковой радионавигационной системы. // Радиотехника, № 1, 1996

23. Ярлыков М.С., Базаров А. А., Салямех С.С. Помехоустойчивый навигационно-посадочный комплекс на основе СРНС.// Радиотехника, 1996, №12.

24. У.А. Bartenev, M.N. Krasilshikov, V.V. Malychev. Current GLONASS status, upgrades and perspective. // AIR&SPACE EUROPE, Vol.1, №2, 1999

25. Конрад Д. Анализ ошибок систем навигационных спутников. Управление в космосе. М.: Наука, 1972

26. Y. Bian. GPS Signal Selective Availability Modeling And Simulation For FAA WAAS IV&V. ION GPS-96 Proc. Nashwille, 1996

27. Per Enge, A.J. Van Dierendonck. Design of the Signal and Data Format for Wide Area Augmentation ofthe GPS. ION GPS-96 Proc. Nashwille, 1996

28. ЗГРахтеенко Е. Р. Гироскопические системы ориентации. М.: Машиностроение, 1989.- 232 с.

29. Теория инерциальной навигации (корректируемые системы). Андреев В. Д.-М.: Изд-вр "Наука", Главная редакция физико-математической литературы, 1967.-648 с.

30. Инерциальные навигационные системы морских объектов/Д.Л. Лукьянов, А. В. Мочалов, A.A. Одинцов, И.В. Вайсгант. -Л.: Судостроение, 1989.-184с.

31. Гироскопические системы. Гироскопические приборы и системы: Учеб. Для вузов по спец. " Гироскоп. Приборы и устройства"/ Д. С. Пельпор, И. А. Михалев, В. А. Бауман и др.; Под ред. Д. С. Пельпора.- 2-е изд., перераб. И доп.- М.: Высш. Шк., 1988.- 424 с.

32. Лебедев Р. К. Стабилизация летательного аппарата бесплатформенной инерциальной системой. М.: Машиностроение, 1977.- 144 с.

33. Навигация с помощью бесплатформенной системы на основе лазерных гироскопов: Вопросы проектирования системы. М. Силвер. ТИИЭР, т. 71, № 10, октябрь 1983.

34. Коррекция бесплатформенной инерциальной навигационной системы. К.И. Иауменко. Проблемы управления и информатики, 1996, №6

35. Парусников Н. А., Морозов В. М., Борзов В. И. Задача коррекции в инерциальной навигации. М.: Изд-во Моск. Ун-та, 1982.- 176 с.

36. Фролов В. С. Радиоинерциальные системы наведения. М.: "Советское радио", 1976. 184 с.

37. Кузовков Н. Т., Салычев О. С. Инерциальная навигация и оптимальная фильтрация. М.: Машиностроение, 1982.- 216 с.

38. Пупков К.А., Неусыпин К.А. Вопросы теории и реализации систем управления и навигации. -М., Биоинформ, 1997.-368 с.

39. Салычев О. С. Скалярное оценивание многомерных динамических систем. -М.: Машиностроение, 1987.- 216 с.

40. Фильтр Калмана Бьюси. Браммер К., Зиффлинг Г. Пер. с нем. - М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы. 1982.-200 с.

41. Лоусон Ч., Хенсон Р. Численное решение задач метода наименьших квадратов/ Пер. с англ. М.: Наука. Гл. ред. Физ.-мат. лит., 1986.-232 с.

42. Балакришнан Д. Теория фильтрации Калмана:Пер.с англ.-М.:Мир,1988.

43. Кузовков : Н.Т. Модальное управление и наблюдающие устройства. М.:»Машиностроение», 1976, 184 с.

44. Дэвис М.Х.А. Линейное оценивание и стохастическое управление/ Пер. с англ. Под. Ред. А.Н. Ширяева. М.: Наука. Гл.ред.физ.-мат.лит., 1984.-208с.

45. Фомин В.Н. Рекуррентное оценивание и адаптивная фильтрация. М.: Наука. Гл. ред. Физ.-мат. лит., 1984.-288 с.

46. Льюнг Л. Идентификация систем. Теория для пользователя: Пер. с англ./ Под ред. Я.З. Цыпкина. -М.: Наука. Гл. ред. Физ.-мат. лит., 1991.-432 с.

47. ЗО.Стрейц В. Метод пространства состояний в теории дискретных линейных систем управления / Пер. с англ. Под ред. Я.З. Цыпкина. М.: Наука. Гл. ред. Физ.-мат. лит., 1985.-296 с.

48. А.Ю. Мишин, О.Г. Гущин, В.П. Ульянов. Архитектуры комплексных навигационных систем // Технология в машиностроении и приборостроении на рубеже XXI века. Сборник статей по материалам Всероссийской НТК. Н. Новгород: НГТУ, 2000., с.203-210.

49. А.Ю. Мишин, О.Г. Гущин, В.П. Ульянов. Комплексная инерциальная навигационная система // Приборостроение в аэрокосмической технике. Материалы докладов Всероссийской НТК. Арзамас: АФНГТУ, 1999.

50. А.Ю. Мишин, В.П. Ульянов. Об идентификации моделей инерциальных датчиков //Интеллектуальные системы: Труды Четвертого международного симпозиума/ Под ред. К.А. Пупкова.-М.: РУСАКИ, 2000, с.95-97.

51. А.Ю. Мишин, О.Г. Гущин, В.П. Ульянов. Обработка измерительной информации в КНС //В 21-й век с новыми принципами построения аппаратуры. Тезисы докладов. НИПИ «Кварц», Н. Новгород, 1999.

52. А.Ю. Мишин. Динамическое оценивание инструментальных ошибок грубой БИНС // Микроэлектроника и информатика 2000. Седьмая всероссийская межвузовская НТК студентов и аспирантов: Тезисы докладов.-М.:МИЭТ,2000.1. СОКРАЩЕНИЯ0СР80Р88А1. АКС

53. Дифференциальный режим Глобальной Системы Позиционирования

54. Глобальная Система Позиционирования Режим Селективного Доступа

55. Алгоритм комплексирования с прибором спутниковой навигации

56. АОН Алгоритм ориентации и навигации

57. АРМ Автоматизированное рабочее место

58. АСИН Алгоритм синхронизации информации

59. АТС Автономное транспортное средство

60. БИНС Бесплатформенная инерциальная навигационная система

61. БСУ Бортовая система управления

62. БЦВМ Бортовая цифровая вычислительная машина

63. БЧЭ Блок чувствительных элементов1. ВО Вторичная обработка

64. ВОГ Волоконно-оптический гироскоп

65. ГЛОНАСС Глобальная навигационная спутниковая система

66. ГСК Геодезическая система координат

67. ДНИ Датчик первичной информации

68. ДУС Датчик угловой скоростизек Земная система координат

69. ИИБ Инерциально-измерительный блок

70. ИИС Информационно-измерительная системамне Инерциальная навигационная система

71. ОФК Опхимальный фильтр Калманапвк Пространственно-временные координатыпо Программное обеспечениепен Прибор спутниковой навигации1. НУ Поворотная установка

72. ПЭВМ Персональная электронно-вычислительная машинасво Сферическая вероятностная ошибкаско Среднеквадратическая погрешностьсне Спутниковая навигационная системаспо Специальное программное обеспечениетм Телеметрическая информация

73. ФПО Функциональное программное обеспечение

74. ЦВМ Цифровая вычислительная машинацкм Цифровой комплекс математический

75. ЭВМ Электронно-вычислительная машина

76. ЭДН Эквивалентная дальномерная погрешность

77. Рис.П2 Погрешности определения скорости (ОР8/8А)

78. Рис. П4 Корреляционная функция погрешности определения скорости1. ОР8/8А)-20 -I

79. Рис.П5 Погрешности определения координат (ГЛОНАСС+ОР8/8А)4000 Ул16000 1|V

80. Рис.Пб Погрешности определения скорости (ГЛОНАСС+ОР8/8А)180 пмет|)60 Н40 Н20-20 Н-40 -.10001 5003000 4000-60

81. Рис. П7 Корреляционная функция погрешности определения координат

82. Рис. П8 Корреляционная функция погрешности определения скорости

83. Рис.ТО Погрешности определения координаты (ГЛОНАСС+ОР8/без Б А)

84. Рис.П 10 Погрешности определения скорости (ГЛОНАСС+ОР8/без 8Л)1Л -1 Ь2 -1 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 1. О -0,2 --0,4 --0,6 У150250300V

85. Рис. П11 Корреляционная функция погрешности определения координат1. ГЛОНАСС+ОР8/без 8А)0,0014 -| 0,0012 0,001 -0,0008 -0,0006 0,000)0.0002 м'сек-0,0002 н-0,0004400сек

86. Рис. Г112 Корреляционная функция погрешности определения скорости1. ГЛОНАСС+СР8/без 8А)-0.12004006000010001200

87. Рис. П13 Погрешности определения скорости (ГЛОНАСС+СР8/без ЗА) наилучший случай0,0001 0,00008 0,00006 0,000040,00002 1400 сек-0,00002-0,00004

88. Рис. П14 Корреляционная функция погрешности определения скорости (ГЛОНАСС+ОР8/без 8А) наилучший случай

89. Рис. П15 Погрешность определения координат (ГЛОНАСС+ОР8/8А) -вторичная обработка нединамическими методамим'сск

90. Рис. П16 Погрешность определения скорости (ГЛОНАСС+ОР8/8А) -вторичная обработка нединамическими методамиошибки, м40 Нвремя,сек-'•100 200 30(л 400 500600

91. Рис. П17 Погрешности определения северной составляюш,ей координатошибка, м40 Н20 .время, сек-20 \к,. , 600 !700 800 900 \h100 1100 1200 1300 1400 л' 1500N-40 Ц

92. Рис. П18 Погрешности определения восточной составляющей координат-40 4ошибка, и/секвреия,сек

93. Рис. П19 Погрешности определения путевой скорости