автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Формирование облика бортовой интегрированной системы навигации и управления перспективного беспилотного вертолета в маловысотном полете

На правах рукописи

ии345БВ81 Козорез Дмитрий Александрович

ОРМИРОВАНИЕ ОБЛИКА БОРТОВОЙ ИНТЕГРИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ НАВИГАЦИИ И УПРАВЛЕНИЯ ПЕРСПЕКТИВНОГО БЕСПИЛОТНОГО ВЕРТОЛЕТА В МАЛОВЫСОТНОМ ПОЛЕТЕ

Специальность: 05.13.01 Системный анализ, управление и обработка информации (Авиационная и ракетно-космическая техника)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

О 5 ДЕК 2008

Москва — 2008 год

003456681

Работа выполнена в Московском авиационном институте (государственном техническом университете).

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Красильщиков Михаил Наумович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Сошников Валерий Николаевич

кандидат технических наук, доцент Веремеенко Константин Константинович

Ведущая организация:

«Корпорация «Фазотрон - Научно-

исследовательский институт радиостроен (Корпорация "Фазотрон-НИИР"), ОАО, г. Мое

Защита состоится « //» /г. 2008 г. в

. часов на заседании

диссертационного совета Д 212.125.12 в Московском авиационном инсти (государственном техническом университете) по адресу: 125993, г.Москва, А-80, ГСП Волоколамское шоссе, дом 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского авиационн института (государственного технического университета, МАИ).

Автореферат разослан « /?» //_2008 г.

Отзывы, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 125993, г.Москва, 80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, дом 4, МАИ, Ученый совет МАИ.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.125.12

к.т.н., доц. с "В.В.Дарнопых

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Настоящая диссертационная работа пбсвящена решению нической задачи формирования облика бортовой интегрированной системы спективного беспилотного вертолета в маЛовысотном полете (МВП).

В настоящее время разработка боевых комплексов и летательных аппаратов вой беспилотной авиации является важным направлением в области создания новых ационных средств вооружения. Это обстоятельство определяется преимуществами вой беспилотной авиации, а именно: живучестью, малозаметностью и осительной дешевизной конструкции и оборудования. -

В силу специфики МВП и, как следствие, весьма жестких требований к точности игации (30-60 м. по положению, 5-10 м. по высоте и 1-5 м/с по скорости) и авлению. В настоящее время имеются лишь отдельные примеры реализации аратов подобного класса, оперирующих в режиме МВП. В результате возникает ача формирования системных требований к аппаратному составу и программно-ематическому обеспечению (ПМО) бортового комплекса навигации и управления аратов подобного класса.

.. Иными словами, возникает задача . формирования облика бортовой егрированной системы перспективного беспилотного вертолета, оперирующего в име МВП, в том числе в условиях действия активных помех.

Таким образом, актуальность обсуждаемой задачи определяется, с одной стороны бходимостью формирования системных требований к аппаратному и ритмическому составу бортового комплекса навигации и управления беспилотного ательного аппарата (ЕЛА) в режиме МВП и, с, другой стороны, анализом можности реализации подобного режима, удовлетворяющего приведенным выше актеристикам точности решения навигационной задачи.

Целью работы является повышение эффективности использования БЛА толетного типа путем реализации безопасного МВП в режиме огибания местности, в числе в условиях действия активных помех.

Основные задачи исследований:

определение архитектуры бортовой интегрированной системы; формирование математических моделей объекта и бортовой аппаратуры; решение задачи навигации, в том числе в условиях помех; решение задачи управления в режиме МВП;

создание функционально-программного прототипа интегрированной системы;

создание программного комплекса для имитационного моделирования процесса МВП;

осуществление имитационного моделирования МВП; проведение анализа результатов и выработка рекомендаций по составу и структуре средств . навигаций и управления автоматического EJIA вертолетного типа в режиме МВП, в том числе в условиях помех.

Объектом исследования_является бортрвая интегрированная система навигаци и автоматического управления МВП перспективного вертолета.

Предметом исследования является.;> совокупность аппаратно-программны средств, обеспечивающих достижение поставленной цели.

Научная новизна полученных в работе результатов состоит в следующем: сформирован облик бортовой интегрированной системы навигации управления перспективного беспилотного вертолета, обеспечивающ безопасный МВП в режиме огибания рельефа местности, в том числе условиях действия активных помех; , ;

предложена архитектура интегрированной системы, аппаратный состав| алгоритмы навигации и управления, обеспечивающие безопасный МВП £ при отсутствии помех с точностями навигационных определений (Зсг): положению - 30 м, по скоростям - 0.5 м/с, по высоте - 3 м, в том числе деградации навигационного комплекса (отсутствие сигнал . СРБ/ГЛОНАСС);

предложена архитектура интегрированной системы, аппаратный состав алгоритмы навигации и управления, обеспечивающие безопасный МВП Б при наличии активных белошумных помех мощностью до 300 Вт, с полос 0,1 МГц и дальностью до источника помех порядка 80 км; разработаны алгоритмы интеграции навигационных данных в рамках ела связанной и глубоко интегрированной архитектур бортового компле обеспечивающие потребную для безопасного МВП точность привязки цег масс БЛА к географическим координатам;

создан ' ' модифицированный корреляционно-экстремальный алгор навигации (КЭАН) БЛА. Модификация алгоритма состоит в учете эволюц БЛА при формировании эталонного изображения, а также в использован вероятностной оценки достоверности и точности получаемо навигационного решения. Модифицированный КЭАН обеспечивает отсутствие сигналов ОРБ/ГЛОНАСС точность решения навигационн задачи характеризуемой параметрами бортовой цифровой ка подстилающей поверхности;

разработан алгоритм управления центром масс БЛА, обеспечивающий упомянутой выше точности привязкицентра , масс к географическ координатам безопасный МВП путем совершения маневров «обход»*, «обле и «обход-облет»; ' ,

разработана математическая модель влияния активной помехи на проц функционирования вЫЗБ-приемника;

предложены архитектура О^Б-приемника и алгоритм адаптивн фильтрации принимаемого навигационного сигнала,, обеспечиваю работоспособность приемника в условиях активных помех; .. , , - реализованы математические модели: , „. .,,-„.'

инерциальных чувствительных элементов, учитывающие широкий спе неконтролируемых факторов: постоянное смещения нуля, случа{

аддитивные, измерительные шумы, погрешности масштабных коэффициентов, ошибку,: . нелинейности, погрешности из-за не ортогональности и перекоса осей, температурные дрейфы, удельные скорости дрейфа, пропорциональные перегрузкам;

радиобаровысотомера (РБВ), учитывающую систематическую ошибку измерения высоты РБВ, динамическую составляющую ошибки измерения высоты, случайную аддитивную ошибку.

стандартного GNSS-приемника, с учетом о шибко к бортовой аппаратуры НКА, погрешности, вызванной ионосферной задержкой сигнала, погрешности, вызванной тропосферной задержкой сигнала, погрешности, вызванной эффектом многолучевости, погрешности, вносимой внутренними шумами приемника, систематической погрешности вектора скорости, вносимой высокочастотной частью приемника, случайные аддитивные составляющие ошибок оценивания, разработана математическая модель GNSS-приемника, функционирующего в условиях действия активных помех, в состав которого входят пеленгатор источника помехи, фазированная антенная решетка с системой управления диаграммой направленности, блок адаптивной фильтрации. Данная модель приемника учитывает влияние помехи, определяя эквивалентную ошибку определения псевдодальности;

разработан функционально-программный прототип интегрированной бортовой системы в двух вариантах, реализованных в виде программных комплексов открытой архитектуры в среде Borland Delphi и Micrsoft Visual С++;

создан инструментарий для имитационного моделирования резервного контура отдельно и в составе интегрированной системы, включающий: математические модели движения БЛА (в том числе модели активной ; > системы стабилизации), модели измерений и алгоритмы обработки этих измерений для различных конфигураций бортового навигационного оборудования, модели неконтролируемых факторов различной физической природы, алгоритмы обработки изображений, алгоритмы обработки и анализа полученных результатов;

создан программные комплексы, обеспечивающие имитацию процесса функционирования бортового интегрированного комплекса во внешней среде, с учетом характера подстилающей поверхности, влияния помех, ветра и вариаций плотности атмосферы;

проведено имитационное моделирование процесса работы функционально-программного прототипа при различных условиях интеграции и различном уровне деградации комплекса, доказывающее удовлетворительную точность получаемого навигационного решения для осуществления автоматического МВП, в том числе в условиях действия активных помех.

Практическая значимость полученных в работе результатов состоит в пользовании сформированного облика интегрированной системы навигации и

управления, математических моделей и алгоритмов; - реализованных в структур программного комплекса при проейировантперспективных ЕЛА вертолетного типа.

Основные результаты работы использоваш'в научно-иссйеДователь^ работ «Ракель» и «Орда», выполненных по заказу МО р^). г ' " ?".

Результаты работы внедрены в практическую и, научную деятельное Корпорации «Фазотрон - НИИР», а также в учебный процесс кафедры 704 МАИ, ч подтверждается соответствующими актами о внедрении. -

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. облик бортовой интегрированной системы навигации и управления перспективно беспилотного вертолет^ обеспечивающей безопасный МВП в режиме огибан рельефа местности, в том числе в условиях действия активных помех;

2. архитектура интегрированной системы, аппаратный состав и алгоритмы навигаци и управления, обеспечивающие безопасный МВП ЕЛА при отсутствии помех точностями навигационных определений (3 С ): по положению - 30 м, скоростям - 0.5 м/с, по высоте - 5 м, в том числе при деградации навигационно комплекса (отсутствие сигналов СРБ/ГЛОНАСС);

3. архитектура интегрированной системы, аппаратный состав и алгоритмы навигац и управления, обеспечивающие безопасный МВП БЛА при наличии активр белошумных помех мощностью до 300 Вт, с полосой 0,1 МГц и дальностью источника помех порядка 80 км;

4. алгоритмы интеграции навигационных данных в рамках слабо связанной и глубо интегрированной архитектур бортового комплекса, обеспечивающие потребь для безопасного МВП точность привязки центра масс ЕЛА к географическ координатам;

5. модифицированный корреляционно-экстремальный алгоритм навигации БЛ Модификация алгоритма состоит в учете эволюции ЕЛА при формирован эталонного изображения, а также в использовании вероятностной оцен достоверности, и точности получаемого навигационного решен Модифицированный КЭАН обеспечивает в отсутствие сигналов ОРБ/ГЛОНА точность решения навигационной задачи характеризуемой параметрами бортов .цифровой карты подстилающей поверхности;

6. алгоритм управления центром масс БЛА, обеспечивающий при упомянутой вы точности привязки центра масс к географическим координатам безопасный М путем совершения маневров «обход», «облет» и «обход-облет»;

7. математическая модель влияния активной помехи На процесс функционирован (ЭДЁЙ-приемника;

8. архитектура О&Б-приемника и алгоритм адаптивной фильтрации принимаемо навигационного сигнала, обеспечивающие работоспособность приемника условиях активных помех;

9. математическая модель СЫББ-приемника, функционирующего в условиях действ активных помех, в состав которого входят пеленгатор источника поме фазированная антенная решетка с системой управления диаграмм направленности, блок адаптивной фильтрации. Данная модель прием!

учитывает влияние помехи, определяя эквивалентную ошибку определения псёвдодальности;

. функционально-программный прототип интегрированной бортовой системы в двух вариантах, реализованные в виде программных комплексов открытой архитектуры в среде Borland Delphi и Microsoft Visual С++; . программный комплекс, обеспечивающий имитацию процесса функционирования, бортового интегрированного комплекса во внешней среде, с учетом характера подстилающей поверхности, влияния помех, ветра и вариаций плотности атмосферы;

. результаты имитационного моделирования процесса работы функционально-программного прототипа при различных условиях интеграции и различном уровне деградации комплекса, доказывающие удовлетворительную точность получаемого навигационного решения для осуществления автоматического МВП, в том числе в условиях действия активных помех.

Апробация работы и публикации. Основные положения и результаты ссертации докладывались автором на следующих конференциях:

• European Conference for Aerospace Sciences (EUCASS), Moscow, July 2005;

• XXV конференции ЦНИИ Электроприбор, Санкт-Петербург, 2006;

• Всероссийской научно-технической конференции «VIII научные чтения, по авиации, посвященные памяти Н.Е. Жуковского», Москва, 2007;.

• Международном форуме по спутниковой навигации, Москва, 2008;

• Юбилейной XV Санкт-Петербургской международной конференции по интегрированным навигационным системам, Санкт-Петербург, 2008;

• International Symposium on GPS/GNSS 2008, Tokyo, 2008.

Результаты работы опубликованы в 14 статьях, из которых 4 входят в перечень даний, рекомендованных ВАКом Минобрнауки России.

Струюура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, ключения и списка литературы из 34 наименований. Работа изложена на 102 аницах машинописного текста, содержит 61 рисунок и 3 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложено текущее состояние дел в области проектирования БЛА, основано использование в качестве тактического БЛА и БЛА поля боя тематического БЛА вертолетного типа, рассмотрены достоинства маловысотного лета. Сформулированы требования к точности решения навигационной задачи для зможности осуществления безопасного автоматического МВП, показана обходимость обеспечения решения навигационной задачи в условиях действия помех, босновано использование слабо связанной архитектуры интеграции навигационных ных для осуществления МВП в отсутствие действия помех и глубоко егрированной архитектуры, при наличии белошумных помех сигналам GNSS. риводится минимально необходимый состав навигационного комплекса (НК) БЛА

включающий: БИНС, СЫБЗ-приемник, РБВ. Сформулированы требования к систем управления .центром масс БЛА, использующую данные НК и бортовой цифровой кар! подстилающей поверхности для обеспечения МВП в режиме огибания местности использованием маневров «обход», «облет» и их комбинаций. Показан целесообразность использования измерений штатной бортовой радиолокационно станции (БРЛС) миллиметрового диапазона и бортовой цифровой карты подстилающе поверхности в корреляционно-экстремальном алгоритме навигации с цель формирования навигационного решения для плановых координат и использования его НК в случае возможной деградации НК в силу тех или иных причин. Приводите краткая характеристика диссертации.

В первой главе поставлена техническая задача, состоящая в определении облип т.е. архитектуры и необходимого состава аппаратных и программных средств, а такж свойств бортовой интегрированной системы навигации и управления автоматическо беспилотного летательного аппарата вертолетного типа. Приведены математически модели и алгоритмы, используемые при формировании интегрированных систе навигации и управления. В частности приведена специальная математическая модел пространственного движения вертолета, как объекта управления. Данная модел представляет собой «частично линеаризованную систему уравнений», т.е. систе линеаризованных в окрестности так называемых балансировочных траектор уравнений, с коэффициентами, зависящими от скорости полета, дополненн нелинейными членами в уравнениях сил, учитывающими большие изменения значени углов тангажа и крена. Здесь под балансировочными понимается совокупное траекторий, полученных в результате решения системы уравнений статики, т.е. пр нулевых аэродинамических моментах и нулевом угле скольжения. Данная моде динамики вертолета является достаточной для достижения цели исследования, так к более детальная модель движения вертолета, описывающая, в частности, механиз создания аэродинамических сил и моментов несущим винтом с учетом особенное обтекания лопастей винта, аэродинамического взаимодействия винтов и корпу вертолета требует «привязки» к конкретной модификации вертолета и, следовательн не отвечает целям исследования, для которых наиболее важными при изуче] маневров вертолета являются такие факторы, как точность решения навигационн задачи и запаздывание, вносимое системами стабилизации и управления.

Таким образом, специальная частично линеаризованная модель обеспечивает:

• формирование траекторий вертолета в необходимом диапазоне изменен скорости и высоты МВП;

• адекватную (с учетом ограничений на маневренные возможност реакцию вертолета на воздействия управляющих и возмущаки факторов;

• формирование балансировочной траектории при отсутствии управляют ^ воздействий

В состав возмущений, учитываемых описанной выше моделью динам вертолета, включена дополнительная аэродинамическая нагрузка, возникают

ледствие воздействия ветра и являющаяся основным неконтролируемым фактором и описании движения вертолета.

В математической модели БИНС, в рамках данной диссертационной работы, ссматривались обобщенные чувствительные элементы, модели измерений которых очают параметрические модели ошибок широкого спектра неконтролируемых кторов, а именно: постоянное смещения нуля, случайные аддитивные шумы мерений, погрешности масштабных коэффициентов, ошибку нелинейности, грешности из-за не ортогональности и перекоса осей, температурные дрейфы, ельные скорости дрейфа, пропорциональные перегрузкам.

Далее в работе приводится математическая модель рабиобаровысотомера, итывающую динамическую погрешность, не компенсируемую блоком первичной работки РБВ и обусловленную эволюциями вертолета по крену и тангажу, а также ерционностью данного источника навигационной информации. Здесь необходимо метить, что модель ошибок РБВ учитывает влияние динамики вертолета на точность мерений, что позволяет включить в состав расширенного вектора оценок тегрального фильтра интегрированной навигационной системы систематические ибки РБВ.

В работе рассматривается две модели СЫЗБ-приемника: стандартного вИББ иемника в режиме кодовых измерений и модель О^Б-приемника, нкционирующего в условиях действия активных помех.

Модель стандартного в^Б-приемника представляет собой простую хастическую модель формирования оценок псевдодальности и псевдоскорости и ляющуюся достаточной для оценки работоспособности и получения потенциальных чностных характеристик интегрированной системы слабо связанной архитектуры теграции данных. Модель учитывает влияние необходимого состава возмущающих кторов, а именно: ошибок бортовой аппаратуры НКА, погрешности, вызванной носферной задержкой сигнала, погрешности, вызванной тропосферной задержкой гнала, погрешности, вызванной эффектом многолучевости, погрешности, вносимой утренними шумами приемника, систематической погрешности вектора скорости, осимой высокочастотной частью приемника, случайные аддитивные составляющие ибок оценивания.

При разработке модели в^Б-приемника, функционирующего в условиях йствия активных помех предполагалось, что помеха представляет собой сигнал типа елый шум» различного уровня мощности и в различных диапазонах частот. Анализ ебований, предъявляемых к приемнику, обуславливает состав необходимых дсистем:

- пеленгатор помехи, необходимый для определения углового положения

источника помех относительно антенны в^Б;

- фазированная антенная решетка;

система управления диаграммой направленности антенны (фазированной антенной решеткой), обеспечивающей минимизацию чувствительности антенны в направлении действия помехи;

- сканирующий фильтр, позволяющий детектировать сигнал помехи; полосовой фильтр, удаляющий помеху из принятого сигнала;

- подсистема инерциальной поддержки, обеспечивающую слежение за задержкой сигнала СКББ. ,

Влияние действия помехи на функционирование СЫБЗ-приемника выражаете через эквивалентную ошибку определения псевдодальности, которая вычисляется результате выполнения следующего алгоритма:

1. определяется мощность помехи (дБ) на входе в антенну в предположении о известности «истинного» положения БЛА и источника помех:

Р°

jam

R -R,J

/г jam j

•ю12

(1)

где:

Р^ат - мощность помехи,

Ыу.ОП1 - радиус-вектор источника помех,

И(г - радиус-вектор БЛА 2. вычисляется средняя мощность помехи на выходе антенны:

где:

PjaL ' мощность помехи на выходе антенны;

Gtr {(р) - коэффициент направленного действия антенны источника помех линии визирования «постановщик - БЛА»;

Vpol {м) ' коэффициент поляризационных ошибок антенны GNSS приемни вдоль линии визирования «НКА - БЛА»;

Grec (//) - коэффициент направленного действия антенны GNSS приемни вдоль линии визирования «БЛА - источник помех». 3. определяется соотношение сигнал/шум (Q-фактор) на выходе полосово адаптивного фильтра для любого режима работы GNSS приемника:

QCA,L\,L2 (®) - 4cA.L\.L2 ' К

(3)

где:

К5 - мощность сигнала НКА на выходе полосового адаптивного фильтра как доля от общей мощности сигнала НКА: /<« г

/ / 5(/)4Г

Г Iе*

К = —-----(4)

Л«

J SW

- •/«

/•СФ тСФ

иижлам > Jecpm.noM ' нижняя и верхняя границы частот, сканируемые узкополосным фильтром;

Ясл l\ L2 ' стандартный Q-факгор приемника для данного режима работы при отсутствии шумов.

4. определяется значение мощности помехи (дБ) на выходе полосового .аптивного фильтра для данного режима работы приемника:

PL(o)) = PZ-K,am (5)

jam \ J jam jam > 7

где:

К • мощность помехи на выходе адаптивного полосового фильтра как доля исходной мощности помехи:

К=Мах

О,

/ J киж^. — fC<p , /верхит _ гСФ J верхи

f J вера,^ J ниж^и, 1 / JeepxH^ J ииж^ t

(6)

где: /ииж > /верхи " «истинные» значения нижней и верхней частот помехи, детектированные сканирующим фильтром. 5. устанавливается факт выполнения слежения данным каналом в^Б приемника за данным НКА:

= 1сл,ахг И - р!ш И > 4ca.LX.L2 О)

где: Чсл,п L2 ' пороговое значение сигнал/шум, соответствующий режи слежения за НКА.

6. в случае выполнения условия слежения, вычисляется с.к.о. аддитивных шумо псевдодальности с учетом повышения эквивалентной температуры шумов приемника:

о

апГА +

Г , .

HL\,L2

где т - эквивалентная температура шумов приемника.

Аналогично описанным выше действиям, с использованием выражений (1Н8) вычисляются эквивалентные ошибки определения псевдодальности для всех видимых спутников.

Для моделирования работы бортовой PJIC в рамках данной рабо использовалась модель моноимпульсной PJIC миллиметрового диапазон представляющая собой сканирующий локатор со стабилизированной зоной обзора, также цифровую карту подстилающей поверхности, разработанные в Рязанск радиотехнической академии. ,,-,.-

Для привязки БЛА к топографическим координатам местности пу использования данных бортовой РЛС (кадра) и цифровой карты подстилающ поверхности использовался модифицированный корреляционно-экстремалы алгоритм навигации (КЭАН) с нормированной корреляционной функцией (9).

VK(X„Z,) =100+100* """

Хи-J¿к,-I Xu-I.Z^-1 KB-Ua-1

Z (f-Mr) *(g-M,)- £ (f-M,)* £ (g-Mf)/Ns (9)

x,a»0 ■ k,Z"0 . . x.fO

jx^U^i Xa-I^KS-I : ~ * - /XJB-I.Zkj-I XKS-U^-I

£ (f-Mr)J-( X (f-M,))!/Ns.!;X (g-M.)2-( X ,(g-M.))2/Ns V ».«О ».«-о V '«.«-» ,»•"'

rae:

f=f(x,z) - сформированный кадр, представляющий собой цифровой масс высот точек подстилающей поверхности размером с? Хщ на Zks прогнозируемой'8 точкой привязки:; Xlw • Zlp, рассчитанной на осно предварительно полученной оценки местоположения вертолета;

Mf- математическое ожидание высот «непустых» точек кадра;

g=g(x,z) - исходное эталонное изображение в области поиска, на котор

ищется точка привязки;

Mg- математическое ожидание высот точек эталонного кадра;

N8 — количество ненулевых элементов кадра.

Модификация КЭАН состояла в оригинальном способе формирования эталонного ображения (эталонного кадра) и в применении разработанного вероятностного итерия оценки достоверности навигационного решения КЭАН. . !

Использование оригинального способа формирования этздошога изображения ыло вызвано сильной изменчивостью навигационного поля в зависимости от условий аблюдения, а именно:

- Постоянно меняющийся угол обзора подстилающей поверхности;

- Взаимное наложение и перекрытие объектов, расположенных на карте местности;

- Сильная деформация поля зрения, связанная с эволюциями БЛА в пространстве.

Формирование эталонных изображений без учета вышеперечисленных факторов

иводит к значительному снижению достоверности данных изображений вплоть до олной потери их адекватности. Выходом из сложившейся ситуации является ормирование эталонных изображений на борту БЛА, т.е. непосредственно в процессе змерений, при условии синхронизации изменений и условий наблюдения авигационного поля с маневрами БЛА. При этом участки формируемого эталонного ображения будут претерпевать почти те же (с точностью до ошибок навигации и правления) деформации, что и наблюдаемые при помощи сенсора. Использование иного алгоритма позволило значительно увеличить адекватность эталонного зображения, используемого при корреляционно-экстремальной привязке, что, в свою ередь, положительно сказалось на работоспособности корреляционно-экстремального горитма навигации в целом.

С учетом- вышесказанного, помимо изображения участка подстилающей оверхности, полученного от бортовой РЛС, используется эталонное изображение, олученное от «виртуальной» РЛС. При этом:

- «виртуальная» РЛС производит измерения по хранящейся на борту цифровой карте местности, а реальная бортовая РЛС - по истинной подстилающей поверхности;

- «виртуальная» РЛС производит измерения из опорного положения ЛА, а реальная бортовая РЛС из истинного положения;

- при работе «виртуальной» РЛС отсутствуют ошибка установки привалочного угла и ошибки определения углового положения локатора.

Разработка вероятностного критерия оценки достоверности навигационного шения КЭАН была вызвана необходимостью использования решения КЭАН в •егрированной навигационной системе. Как известно, в стандартных КЭАН утствуют сведения о достоверности и точности получаемых оценок навигационных раметров. .. ...

Задача оценкит достоверности решения КЭАН при его использовании в егральном фильтре фактически сводится к построению ковариационной матрицы шения, поставляемого КЭАН, поскольку ковариационная матрица решения ИНС+СНС+РБВ» уже получена ранее.

Рассмотрим процесс получения ковариационной матрицы решения КЭ; Анализ результатов моделирования КЭАН показывает; что в общем случае ошиб навигационного решения не подчиняются нормальному закону и взаим коррелированны. С другой стороны, используя результаты моделирования, ймее возможность построить так называемый доверительный эллипс рассеива! включающий, например, 99% всех возможных реализаций навигационного реше КЭАН и рассматривать этот эллипс как аппроксимацию истинного распределе ошибок гауссовским, а ковариационную матрицу, соответствующую этому эллипсо! принять в качестве ковариационной матрицы ошибок КЭАН. На Рис. 1 приведен прим подобного доверительного эллипсоида.

Вмиммое распределение ошибок КЭАН 30|................ .................• • ■ I

.30 ---- ■ --- ■ ■ ' I ■ ■ --

-80 -60 -40 -20 О 20 40 60 80

Ошибки по X, дискреты

Рис. 1. Доверительный эллипсоид КЭАН.

Таким образом алгоритм построения ковариационной матрицы состоит следующем: для имеющегося типа цифровых карт местности путем моделирова получается статистика решений навигационной задачи КЭАН, а затем для получен реализаций строится доверительный эллипс;

Критерием достоверности текущих оценок, формируемых КЭАН, явля результат сравнения вычисленной на основе КЭАН поправки по данной координа пороговым значением среднеквадратичной значения ошибки, определяемого размер описанного выше прямоугольника. В результате принимается решение о достоверно (оценка поправки меньше порогового значения) или недостоверности (в против случае) полученных оценок поправок к базовому навигационному решению.

Навигационное решение КЭАН для плановых координат используется в НК деградации, в частности, при отсутствии сигналов ОКБ Б в силу тех или иных причин

Задача управления центром масс в режиме МВП, т.е. реализация маневров об облет и их комбинации (обход-облет) на основании данных навигационного комплек цифровой карты подстилающей поверхности, хранимой на борту, состояла

. 14

ормировании алгоритма управления центром масс БЛА, в предположении о том, что андартная система стабилизации вертолета работает идеально. Алгоритм управления еспечивает выбор типа маневра, определение точки начала маневра и расчет требного управляющего воздействия. Сформированы так называемые рациональные горитмы, обеспечивающие выбор типа маневра вертолета на основании так ываемого "решающего правила" (т.е. критерия траекторного управления), в условиях «излагаемого динамического ресурса по управлению, а также рассчитывающие требные параметры управления из условия минимизации используемого ресурса.

Вторая глава диссертации посвящена разработке алгоритмов интеграции вигационных данных с использованием слабо связанной и глубоко интегрированной хитектур.

Функциональная схема бортовой интегрированной системы вертолета, нованной на использовании слабо связанной архитектуры комплексирования -игационных данных БИНС, радиобаровысотомера и корреляционно-

стремапьного алгоритма навигации (КЭАН), обрабатывающего данные бортовой РЛС, иведена на Рис. 2.

обенностью данной архитектуры является присутствие самостоятельных устройств -ставщик базового навигационного решения - БИНС, а также подсистем: С№8-иемник, РБВ и КЭАН, решение навигационной задачи которых используются егральным фильтров для формирования поправок к базовому решению. При абосвязанной архитектуре интеграции навигационных данных компоненты истинного

ового вектора состояния вертолета, включающего: координаты ц.м. вертолета В.'г,

г, компоненты вектора скорости Уг, вектор абсолютной угловой скорости вертолета

,г , вектор кажущегося ускорения N'г , а также Эйлеровы углы ориентации

3 /У поступают в навигационный комплекс в соответствии с частотой работы

ждого блока (измерители, многоканальный вИББ приемник, РБВ, БРЛС). При этом ок чувствительных элементов БИНС реализует измерения акселерометров и ДУСов, ляющиеся исходной информацией для навигационного алгоритма БИНС. Результатом

оцесса функционирования БИНС являются оценки координат ц.м. вертолета ЛБИИС >

мпонент вектора скорости уБИНС) а также Эйлеровых углов ориентации вертолета

9 уУИНС . Параллельно с БИНС с требуемой частотой реализуются

вигационные решения РБВ А и приемника ОЫББ 2? , V . Полученная вокупность навигационных решений поступает в интегральный фильтр Калмана, где оисходит коррекция базового навигационного решения и оценка параметров моделей ибок чувствительных элементов БИНС.

Измерители

Алгоритм определения, координат и скорости

Алгоритм определения, ориентации

Многоканальный I р|11.»11Чсь

ВРЛС::

Навигационное решение Я

Рис. 2. Функциональная схема навигационной системы вертолета со слабо связанной архитектурой интеграции данных.

Вектор измерений рассматривается в двух вариантах - 2Бинс - при штатног! функционировании системы (БИНС+ОКБЗ+РБВ+КЭАН) описывается уравнением (10)

^ ^БИНС -кРБВ

срБШС

р^БИНС _ дслет

уБИНС X X

уБИНС У т^СЖ У

уБИНС V * _ув№5 г

и в виде 7Бинс-£кэлн при деградации системы т.е. при не работающем ОЫБ приемнике описывается уравнением (11).

'г БИНС _^РБВ 4

2к = (рБИНС_(рЮЛИ (П)

¿БИНС _ дКЭАН

На рис. 3. представлена функциональная схема бортовой интегрированной темы вертолета, основанной на глубоко интегрированной схеме интеграции данных.

МногоКЛ1ШИ.КЫЙ ГЛОНАССОК приемник

а

Н и Ч о и а.

V

а

к х я

и

£ С >*<

£ | ® 1 £ I

ш я * Й

1г.

£

а

Ш

я" у

Мод»

СкфШфоыюс

Измерители

Акселерометры

ДУСы

1

Мивль «осины

л-

Интеграл ьный фильтр Кал на та (алгоритм томплексирования)

йг|-

Еюк прогноза •

1Г

РБВ

Блок коррекции

■ л

рлс :1аар

<ЛЛ) ■г=Ъ

Модель динамики созвездия СНС

Навигационное решение

(Ч',8,у)и

Рис. 3. Функциональная схема бортового навигационно-управляющего комплекса вертолета

Ьновное отличие данного варианта от слабо связанной архитектуры заключается в сутствии самостоятельного алгоритма БИНС, усложненной структуре интегрального альтра, непосредственно обрабатывающего измерения акселерометров, ДУС, РБВ и игационные измерения, формируемые многоканальным ОИББ-приемником. ■пользуемая в глубоко интегрированной архитектуре интеграции данных модель ногоканального в^З приемника учитывает влияние помехи на процесс слежения за гналами НКА и точность формируемых измерений навигационных параметров, роме того, в модель СЫББ приемника введена обратная связь от интегрального ршьтра (т.н. «инерциальная поддержка»), обеспечивающая предварительную настройку

контуров слежения за сигналами НКА и работу адаптивных фильтров каналов слежени обеспечивающих возможность приема сигналов в^Б при наличии помех.

Основной принцип глубокого интегрирования данных спутниковой инерциальной навигации заключается в специальном представлении интегрирований фильтра Калмана, основанного на оценивании состояния уравнений ошибок БИНС н основе измерений спутниковой навигационной системы.

Коррекция оценок БИНС с учетом вычисленных в фильтре поправо осуществляется по соотношениям (12):

0>/+1 = (рБтс[ +А<р1* Л?+'=ЛБтс{-+АА/+1

Ух /+1 = УхБИНС' + АУХ /+1'

уг>* = угБИНС> +ау2?х

где : <р/+1, Я/+{, /г/+1, Ух /+1, Уу /+1, Уг /+1 - решение навигационной задачи БИНС

после обработки]+1 измерения, <рвтс\, ХЕИНС\, ЪБШС\, У™нс\, У™нс\, У:БИНС{ -решение навигационной задачи БИНС после обработки _/' измерений, Л(р!+Х, ЛЯ/+], , АУХ /+1, АУу /+1, АУ, /+1 - коррекция решения БИНС в результат 7+7-го измерения.

В третьей главе диссертации приводятся основные результаты проведение имитационного моделирования процесса функционирования созданнь функционально-про1раммных прототипов бортовых интегрированных систе демонстрирующие возможности и преимущества слабосвязанной и глубо интегрированной архитектур интеграции данных. Здесь представлены, во-перв результаты, доказывающие возможность осуществления безопасного маловысотно полета ЕЛА вертолетного типа в отсутствие помех при использовании слабо связанн архитектуры интеграции навигационных данных, аппаратного состава (БИНС, РБ ОИББ-приемника, БРЛС), алгоритмов (интеграции данных БИНС, ОЫББ, РБВ, БРЛ корреляционно-экстремального алгоритма навигации, и модели «идеального пилот», том числе и при деградации навигационной системы (отсутствии сигналов ГНСС), ] показывают рис.4,5 в этих условиях предлагаемая НС обеспечивает точность реше навигационной задачи по положению 30 м, 3 м по Высоте и по скоростям 0,5 м/с.

При штатном функционировании в течение всего эксперимента ошиб навигационных определений остаются на приемлемом для обеспечения безопасно маловысотного полета уровне (Рис. 4).

При деградации навигационного комплекса (в случае отсутствия по каким-либо чинам сигналов от спутников б^Б) для коррекции навигационного решения БИНС чановых координатах используется навигационное решение КЭАН. Точность игационного решения при этом ухудшается, однако на участках полета, где на стилающей поверхности присутствуют характерные точки рельефа, ошибки игационного решения интегрированной системы остаются в допустимых пределах. I >же время на траектории появляются участки, на которых ошибки принимают чения выше максимально допустимых для обеспечения безопасного маловысотного ета (Рис. 5).

Рис. 5. БИНС+РБВ+КЭАН: Эволюция ошибок решения навигационной задачи

В плаве также приведены примеры корреляционных матриц при достоверном (Рис. и недостоверном (Рис. 7) навигационных решениях КЭАН.

Рис. 6. Корреляционная матрица при достоверном навигационном решении КЭАН.

Рис. 7. Корреляционная матрица при недостоверном навигационном решении КЭАН

Во-вторых, в главе показано, что при воздействии активной белошумно узкополосной (0,1 МГц) помехи, мощностью до 300 Вт, на удалении 80 км, применени специального ОЫБЗ-приемника совместно с глубоко интегрированной архитектуре интеграции навигационных данных аппаратного состава (БИНС, РБВ, вЫЗБ-приемни ФАР, пеленгатор помех, БРЛС), алгоритмов (интеграции данных БИНС, РБТ

БРЛС, управления ДН антенны, адаптивной фильтрации) обеспечивает точност навигационного решения, достаточную для выполнения безопасного маловысотно» полета БЛА вертолетного типа (Рис. 8,9,10).

I

«

1-'-г

30 40

клм, в

1-■-Г

» «

«в»,»

"1-1-г

Рис. 9. Эволюции ошибок компонент скорости ЕЛА

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Сформирован облик бортовой интегрированной системы навигации и управле] перспективного беспилотного вертолета, обеспечивающей безопасный МВП режиме огибания рельефа местности, в том числе в условиях действия актив * помех [6,13];

2. Предложена архитектура интегрированной системы, аппаратный состав алгоритмы навигации и управления, обеспечивающие безопасный МВП БЛА пр отсутствии помех с точностями навигационных определений (3 О"): по положен - 30 м, по скоростям - 0.5 м/с, по высоте - 3 м, в том числе при деградащ навигационного комплекса (отсутствие сигналов ОРБ/ГЛОНАСС) [6,7,13];

3. Предложена архитектура интегрированной системы, аппаратный состав алгоритмы навигации и управления, обеспечивающие безопасный МВП БЛА ] наличии активных белошумных помех мощностью до 300 Вт, с полосой 0,1 МГц дальностью до источника помех порядка 80 км [8,9];

4. Разработаны алгоритмы интеграции навигационных данных в рамках ела связанной и глубоко интегрированной архитектур бортового комплекс обеспечивающие потребную для безопасного МВП точность привязки центра ма БЛА к географическим координатам [4,5,10,12];

5. Создан модифицированный корреляционно-экстремальный алгоритм навита (КЭАН) БЛА. Модификация алгоритма состоит в учете эволюции БЛА формировании эталонного изображения, а также в использовании вероятности оценки достоверности и точности получаемого навигационного решени Модифицированный КЭАН обеспечивает в отсутствие сигналов СРБ/ГЛОНАС точность решения навигационной задачи характеризуемой параметрами бортов цифровой карты подстилающей поверхности [6,10,11];

6. Разработан алгоритм управления центром масс БЛА, обеспечивающий упомянутой выше точности привязки центра масс к географическим координа безопасный МВП путем совершения маневров «обход», «облет» и «обход-обл [6,13];

7. Разработана математическая модель влияния активной помехи на проце функционирования СИББ-приемника [8,9,14];

8. Предложены архитектура ОЫББ-приемника и алгоритм адаптивной фильтрац принимаемого навигационного сигнала, обеспечивающие работоспособное приемника в условиях активных помех [8,9];

9. Реализованы математические модели:

инерциальных чувствительных элементов, учитывающие широкий спе неконтролируемых факторов: постоянное смещения нуля, случайные аддитив измерительные шумы, погрешности масштабных коэффициентов, ошиб нелинейности, погрешности из-за не ортогональности и перекоса осе температурные дрейфы, удельные скорости дрейфа, пропорциональ перегрузкам [1,2,3,6,12,13];

радиобаровысотомера (РБВ), учитывающую систематическую ошибку измерен высоты РБВ, динамическую составляющую ошибки измерения выс< случайную аддитивную ошибку [6,8,9,10,13];

стандартного GNSS-приемника, с учетом ошибкок бортовой аппаратуры НКА, погрешности, вызванной ионосферной задержкой сигнала, погрешности, вызванной тропосферной задержкой сигнала, погрешности, вызванной эффектом многолучевости, погрешности, вносимой внутренними шумами приемника, систематической погрешности вектора скорости, вносимой высокочастотной частью приемника, случайные аддитивные составляющие ошибок оценивания [1,2,4,5,6].

Разработана математическая модель GNSS-приемника, функционирующего в условиях действия активных помех, в состав которого входят пеленгатор источника помехи, фазированная антенная решетка с системой управления диаграммой направленности, блок адаптивной фильтрации. Данная модель приемника учитывает влияние помехи, определяя эквивалентную ошибку определения псевдодальности [8,9,14];

Разработан функционально-программный прототип интегрированной бортовой системы в двух вариантах, реализованных в виде программных комплексов открытой архитектуры в среде Borland Delphi и Microsoft Visual С-н- [7,9,10,11]; Создан программный комплекс, обеспечивающий имитацию процесса функционирования бортового интегрированного комплекса во внешней среде, с учетом характера подстилающей поверхности, влияния помех, ветра и вариаций плотности атмосферы [7,9,10,11];

Проведено имитационное моделирование процесса работы функционально-программного прототипа при различных условиях интеграции и различном уровне деградации комплекса, доказывающее удовлетворительную точность получаемого навигационного решения для осуществления автоматического МВП, в том числе в условиях действия активных помех [7,8,9,10,11].

ОСНОВНЫЕ РАБОТЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Козорез Д.А. Моделирование процесса определения ориентации КА на основе GPS/GLONASS технологии // V-я всероссийская конференция, Москва, 1999: Тез. докл. - Москва: МАИ, 1999. стр. 96-100.

Красильщиков М.Н., Козорез Д.А. Моделирование процесса навигации и определения ориентации КА на основе GPS/GLONASS технологии II X юбилейная международная конференция, Переславль-Залесский, 1999: Тез. докл. - Москва: МГИУ, 1999. стр. 231-232.

Красильщиков М.Н., Козорез Д.А., Сыпало К.И. Моделирование процесса навигации и определения ориентации КА на основе ГЛОНАСС/GPS технологии // 1ая Международная конференция «Системный анализ, управление и навигация», Евпатория 1999: Тез. докл - Москва: МАИ, 1999. стр. 42-50.

Красильщиков М.Н., Сыпало К.И., Козорез Д.А., Белоусов И.А. Формирование алгоритмов интегрированной навигационной системы малого ИСЗ на основе ГЛОНАСС/GPS технологии // «Полет» №3,2000г, стр. 91-106. Красильщиков M. Н., Сыпало К.И., Дишель В.Д., Козорез Д.А., Белоусов И.А., Формирование интегрированной навигационной системы малого ИСЗ на основе ГЛОНАСС/GPS технологий // Известия РАН. «Теория и системы управления», №2, 2001год, стр. 101-115.

я

6. Красильщиков М.Н., Сыпало К.И., Козорез Д.А. "Интегрированная навигационн-система вертолета" часть 1, "Математические модели и алгоритмы" ;/ Авиакосмическое приборостроение, №6, 2004, стр. 32-40.

7. Красильщиков М.Н., Сыпало К.И., Козорез Д.А. "Интегрированная навигационн система вертолета" часть 2, "Результаты моделирования" // Авиакосмическо приборостроение, №6,2004, стр. 40-50.

8. В.Д. Дишель, Д.А. Козорез, М.Н. Красильщиков, К.И. Сыпало Интегрированн инерциально-спутниковая навигационная система подвижного объек предназначенная для функционирования в условиях помех. // XXV конференц ЦНИИ Электроприбор, С-П, 2006: Сборник трудов - С-П: ЦНИИ Электроприбо стр. 125-128.

9. В.Д. Дишель, Д.А. Козорез, М.Н. Красильщиков, К.И. Сыпало Интегрированн-инерциально-спутниковая навигационная система подвижного объек предназначенная для функционирования в условиях помех // Всероссийская научн техническая конференция «VIII научные чтения по авиации, посвященные памят Н.Е. Жуковского», Москва, 2007: Материалы конференции - Москва: ВВИА и Жуковского, стр. 117.

10. Д.А. Козорез, М.Н. Красильщиков, К.И. Сыпало Функционально-программны прототип интегрированной бортовой системы перспективного беспилотног вертолета в режиме маловысотного полета. // Международный форум п спутниковой навигации, Москва, 2008: Материалы форума - Москв Профессиональные конференции, 2008. стр. 386-394.

11. Д.А. Козорез, М.Н. Красильщиков, К.И. Сыпало Функционально-программны прототип интегрированной бортовой системы перспективного беспилотног вертолета в режиме маловысотного полета. // Юбилейная XV Санкт-Петербургск международная конференция по интегрированным навигационным системам, С-2008: Сборник трудов - С-П: ЦНИИ Электроприбор, 2008. стр. 103-104.

12.Krasilshchikov М., Janschek К., Dishel V., Sypalo К., Kozorez D., Jacobson M. 1 Advanced Concept of Small Satellite Integrated Navigation System Based GPS/GLONASS Technique // 14th International Symposium on Space Flight Dynamic Foz do Iguacu, Brazil, 1999: Proceedings of Symposium - Foz do Iguacu, Brasil Spa Center, 1999. pp. 141-150.

13.Krasilshchikov M.N., Sypalo K.I., Kozorez D.A. Helicopter Terrain-following Integrat Navigation & Control System, Based on GPS/GLONASS Technique and Technology European Conference for Aerospace Sciences (EUCASS), Moscow, 2005: pp. 255-263.

14.Krasilshchikov M.N., Sypalo K.I., Kozorez D.A. Artificial jam-resistant integrat navigation system for unmanned helicopter. // International Symposium on GPS/GNS 2008, Tokyo, 2008, pp. 193-198.

Множительный центр МАИ (ГТУ) Заказ от iZ. У{ 200£ г. Тираж^О экз.