автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Информационное обеспечение инерциальной системы управления беспилотным летательным аппаратом в условиях маловысотного полета

004613557

ФРОЛОВА ОКСАНА АЛЕКСАНДРОВНА

ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИНЕРЦИАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ БЕСПИЛОТНЫМ ЛЕТАТЕЛЬНЫМ АППАРАТОМ В УСЛОВИЯХ МАЛОВЫСОТНОГО ПОЛЕТА

Специальность 05.13.01 - "Системный анализ, управление и обработка информации (в науке и промышленности)" по техническим наукам

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 5 НОЯ 2010

Нижний Новгород 2010г.

004613557

Работа выполнена в Арзамасском политехническом институте (филиале) Нижегородского государственного технического университета имени Р.Е. Алексеева.

Научный руководитель: Доктор физико-математических наук, профессор Пакшин Павел Владимирович

Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор

Федосенко Юрий Семенович

Кандидат технических наук, доцент Гущин Олег Григорьевич

Ведущая организация: ФГУП ГНЦ Государственный Научно-

Исследовательский Институт Авиационных Систем (ГосНИИ АС)

Q '2

Защита диссертации состоится « J » декабря 2010 года в A3 часов в ауд. 1258 на заседании диссертационного совета Д212.165.05 при Нижегородском государственном техническом университете им. P.E. Алексеева по адресу: 603600, г. Нижний Новгород, ул. Минина, 24.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственного технического университета им. P.E. Алексеева.

Автореферат разослан » октября 2010 года.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук A.C. Суркова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Современные беспилотные летательные аппараты (БПЛА) включают класс подвижных объектов, которые для обеспечения скрытности реализуют полет на малой и предельно малой высоте над водной поверхностью. Задача информационного обеспечения системы управления (СУ) движением БПЛА в вертикальной плоскости в условиях маловысотного полета решается за счет совместной обработки данных инерциалыюй навигационной системы (ИНС) и радиовысотомера (РВ).

Существуют различные средства противовоздушной обороны, в том числе активного радиоэлектронного противодействия, которые способны на ближней дистанции вывести из строя радиотехнические измерители параметров движения БПЛА (например, РВ). Высока вероятность блокирования радиоэлектронных средств БПЛА при полете в зоне барражирования самолетов-поставщиков помех или вблизи мощных радиолокационных станций.

Управление движением БПЛА в вертикальной плоскости должно осуществляться таким образом, чтобы обеспечивать выполнение следующих задач:

A) безопасность движения на участке снижения и при полете на малой высоте;

Б) минимальное отклонение от заданной траектории движения;

B) выполнение задачи БПЛА в условиях наличия активного и пассивного радиоэлектронного противодействия.

В рамках указанных задач для информационного обеспечения СУ недостаточно реализовать только совместную обработку информации ИНС и РВ. В условиях волнения необходимо формировать высоту полета БПЛА над гребнями волн, в условиях наличия радиопротиводействия - решать задачу контроля достоверности данных РВ, а в случае его отказа формировать безопасную высоту полета в режиме экстраполяции. Задача контроля информации РВ является определяющей среди задач информационного обеспечения СУ. Только при наличии достоверных данных РВ возможно оценить высоту волны, обеспечить корректную работу фильтра комплексной обработки, формировать минимальное безопасное смещение по высоте, обеспечивающее принудительный подъем БПЛА в случае отказа РВ.

Данные задачи обычно решаются обособленно, иногда в физически разнесенных устройствах, без учета свойств навигационной составляющей ИНС и условий применения. Защита от ложной информации обеспечивается контролем и мониторингом каналов обмена. Основным методом повышения надежности работы информационной системы является аппаратная избыточность применяемых компонент.

В диссертационной работе автором предложены и реализованы комплексный подход к решению информационной задачи, структура, логика и алгоритмы комплексного измерителя высоты (КИВ). Предложены новое решение задачи идентификации ложной информации РВ, адаптивный метод формирования информации для обеспечения безопасного полета БПЛА на малой высоте. Указанные зада-" чи решаются алгоритмически без использования аппаратной избыточности.

Целью работы является повышение тактико-технических характеристик БПЛЛ за счет применения комплексного подхода к информационному обеспечению системы управления движением в вертикальной плоскости, включающего адаптивные методы повышения достоверности информации о параметрах вертикального движения, логику и алгоритмы использования информации для формирования заданной безопасной траектории движения.

Задачи исследования.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие основные задачи:

- информационный анализ задачи управления движением БПДА в вертикальной плоскости в условиях маловысотного полета над взволнованной водной поверхностью при наличии помех в работе РВ;

- декомпозиция основной задачи на подзадачи: оценка внешних условий применения, идентификация ложной информации РВ, совместная обработка данных ИНС и РВ, формирование безопасной высоты при отказах РВ;

- анализ существующих методов и научных подходов для решения выделенных подзадач, оценка возможности их адаптации под конкретные условия применения;

- синтез информационной структуры и логики функционирования КИВ;

- синтез алгоритмов в составе КИВ, решающих выделенные подзадачи информационного обеспечения системы управления;

- экспериментальные исследования разработанного КИВ методами математического моделирования в составе модели БПЛА с учетом свойств СУ и материалов натурных испытаний.

Методы исследования. При решении поставленных задач использованы принципы и методы инерциальной навигации, прикладной теории информации и теории систем автоматического управления, теории временных рядов, информационно-статистической теории измерений, теории оптимальной обработки информации, математической теории надежности, математического и имитационного моделирования. Исследования КИВ проводятся в составе комплекса математического моделирования, а также по результатам анализа данных натурных испытаний.

Научная новизиа. Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1. Предложен новый подход к построению комплексного измерителя высоты, заключающийся в реализации решений задач информационного обеспечения системы управления движением в вертикальной плоскости в едином комплексе и построении адаптивной, настраиваемой в полете, информационной системы.

2. Предложен новый подход к решению проблемы идентификации ложной информации радиовысотомера, интегрированный в стандартные алгоритмы фильтрации и заключающийся в использовании интервального запаздывания для оценки достоверности данных на интервале времени. Идентификация проводится без использования аппаратной избыточности.

3. Предложен новый метод формирования критерия идентификации ложной информации радиовысотомера, основанный на использовании параметрической модели временного ряда для прогноза ошибок априорных оценок выхода фильтра Калмана на интервале запаздывания.

4. Предложено алгоритмическое решение задачи обеспечения расчетного качества управления БПЛА в вертикальной плоскости в случае отказа радиовысотомера за счет оценки ошибок ИНС и характеристик подстилающей поверхности и адаптивной подстройки параметров формирования траектории.

Практическая ненносп..

1. Теоретические решения доведены до практического применения в составе ИНС БПЛА, предназначенных для маловысотного полета. Результаты диссертационной работы внедрены в состав специального программного обеспечения информационно-измерительных систем, разрабатываемых ОАО АНПП «ТЕМП-АВИА».

2. Предложенные методы информационного анализа, алгоритмы идентификации сбоев и защиты информации могут быть применены в задачах комплексной обработки данных различных измерителей параметров движения (доплеровских измерителей, систем спутниковой навигации) и для различных классов подвижных объектов.

3. Основным практическим достоинством предложенного в работе комплексного подхода к решению информационной задачи является улучшение тактико-технических характеристик БПЛА без применения аппаратной избыточности и с минимальными экономическими затратами.

На защиту выносятся следующие результаты, полученные лично автором:

- новый подход к построению адаптивного комплексного измерителя высоты, реализующего решение задач информационного обеспечения системы управления движением в вертикальной плоскости в едином комплексе;

- новый подход к решению проблемы идентификации ложной информации, заключающийся в использовании интервального запаздывания для оценки достоверности данных радиовысотомера на интервале времени;

- новый метод формирования критерия идентификации ложной информации, основанный на использовании параметрической модели временного ряда для прогноза ошибок априорных оценок выхода фильтра Калмана;

- решение задачи обеспечения расчетного качества управления БПЛА в вертикальной плоскости за счет адаптивной подстройки параметров формирования траектории;

- результаты исследования разработанного комплексного измерителя высоты программно-математическими методами на комплексе математического моделирования, а также результаты летных испытаний.

Внедрение работы. Основные результаты диссертационной работы внедрены на предприятии ОАО АНПП «ТЕМП-АВИА» в состав специального программного обеспечения разрабатываемых информационно-измерительных систем.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации доложены автором и обсуждены на 10-й конференции молодых ученых «Навигация и управ-

ление движением» (Санкт-Петербург, ЦНИИ «Электроприбор», 2008г., диплом 1 степени), на 11 -й конференции молодых ученых «Навигация и управление движением» (Санкт-Петербург, ЦНИИ «Электроприбор», 2009г., диплом 2 степени), а также ряде отраслевых и Всероссийских научно-технических конференций (на предприятиях ОАО АНПП «ТЕМП-АВИА» и ОАО «Корпорация «Тактическое Ракетное Вооружение»).

Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 11 печатных работах, в том числе 5 статей в журналах из перечня ВАК, по материалам диссертации получен патент на изобретение №2394264 «Устройство для управления полетом над водной поверхностью (варианты)» с приоритетом от 12.05.2008.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 70 наименований. Материал изложен на 158 страницах, включает 61 рисунок и 2 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассмотрены актуальность и практическая ценность диссертационной работы. Сформулированы цель, задачи и методы исследований, определена научная новизна и положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен информационный анализ задачи управления движением БИЛА в вертикальной плоскости при полете на малой высоте над водной поверхностью при наличии помех в работе РВ, анализ источников информации о параметрах вертикального движения и характера подстилающей поверхности (взволнованная водная поверхность).

В диссертационной работе рассматривается класс БПЛА, траектория движения которых включает продолжительный участок полета на малой высоте над водной поверхностью. Для обеспечения маловысотного полета используются данные ИНС и РВ.

ИНС формирует высоту полета над земным эллипсоидом. Навигационные данные определяются ИНС с ошибками, причем погрешности накапливаются во времени. Тем не менее, ИНС является надежным источником непрерывной информации о параметрах вертикального движения, работа которого не зависит от внешних условий применения БПЛА.

РВ используется в качестве измерителя геометрической высоты (расстояния от водной поверхности по вертикали до БПЛА). Проведенный анализ устройства и функционирования РВ показывает, что независимо от типа выбранного датчика существует возможность его нештатной работы при применении на БПЛА (отказ, выдача ложной информации).

Проведенный анализ литературы показал, что задача информационного обеспечения рассматривается, как правило, с точки зрения выполнения комплексной обработки информации, как наглядный пример построения простой комплексной системы. Все задачи информационного обеспечения СУ сводятся к идентификации адекватных моделей измерителей и организации процесса фильтрации. Задачи помехозащищенности систем рассматриваются как общие задачи надежности

информационных систем. Предлагаемые решения сводятся к использованию пороговых фильтров или к формированию фильтров, защищенных по отношению к отказам датчиков, основанные на использовании нескольких однотипных датчиков. Аппаратная избыточность является основным методом обеспечения надежности работы информационной системы.

Во второй главе производится декомпозиция основной задачи на подзадачи, синтез структуры и алгоритмов КИВ, решающих выделенные подзадачи информационного обеспечения. Предлагается и обосновывается новый подход к решению проблемы защиты от ложной информации РВ.

Анализ, проведенный в главе 1, показал необходимость декомпозиции задачи информационного обеспечения системы управления на подзадачи. Комплексный измеритель высоты включает ряд алгоритмов, каждый из которых должен решать выделенную подзадачу:

- фильтрация измерений ИНС и РВ - алгоритм комплектования;

- оценка высоты волны по измерениям РВ - алгоритм оценки параметров волнения;

- контроль измерений РВ - алгоритм идентификации ложной информации РВ;

- оценка ошибок ИНС для расчета минимального значения смещения по высоте, используемого при отказах РВ, - алгоритм формирования высоты безопасного полета.

При разработке КИВ приняты следующие принципы:

- измерения ИНС считаются достоверными и используются для контроля измерений РВ;

- совместная обработка информации в алгоритме комплексирования проводится только с использованием достоверных измерений РВ, прошедших процедуру контроля в алгоритме идентификации;

- контроль на достоверность при идентификации сбоев проходят не текущие измерения РВ, а данные на интервале времени;

- алгоритм комплексирования работает по задержанным на выбранный интервал времени измерениям ИНС и РВ, оценки ошибок ИНС экстраполируются на текущий момент времени;

- оценки параметров волнения рассчитываются только по достоверным измерениям РВ и используются для формирования высоты полета над гребнями волн;

-достоверные оценки ошибок ИНС из алгоритма комплексирования используются для расчета минимального безопасного значения смещения по высоте;

- параметры алгоритмов КИВ адаптивно изменяются в зависимости от режимов движения БПЛА.

На рис.1, 2 приведены функционально-информационная схема КИВ и типовая траектория движения БПЛА в вертикальной плоскости, с отображением схемы функционирования КИВ по режимам работы.

На участке пикирования используются априорные значения смещения по высоте, высоты волны, параметров настроек алгоритма идентификации ложной информации, где действует один допусковый контроль, фильтр Калмана работает по текущим измерениям РВ. После выхода БПЛА на заданную высоту полета и за-

вершения переходных процессов в СУ вводится интервальное запаздывание, снижается быстродействие фильтра Калмана, уменьшаются допусковые параметры в алгоритме идентификации ложной информации, оцениваются параметры волнения и величина нестабильности ошибки, эквивалентной нулевому сигналу вертикального акселерометра. Режим экстраполяции осуществляется в случае отсутствия данных или при идентификации ложных измерений РВ. н,,„ ,-, II,,,,

Траектория движения » вертикальной плоскости

АЛГОПП'М ИДШПИ-ИКАЦИИ кг/кие/! ииччимлшшее.

.1 ГОРИЩ <М Х'МПМ 1ЦЛ11ИЯ Г.кткии'Ч"! иькогы

П0.1Г» \

\ лшчю1'ш»и-:

\ ШЛЧКППИ: 1 Р.К'ЧКГ:

\ - ныот.1 «о.шы. 1

1 - СМЩ1ИШМ НИ К1'КЧ11»\ 1 - ом-ин'ипя и» т.ичг«.

1 - 1|:1р,|ЧН'1р"11 11111111ГЫ. 1 \ 1 " .........'""""''

1 1 ' ' •11Н НК-.1 |11р )М1-1(И.Ц но ш.чшн

1 1 II»» | <11.111,'И .11ГНМ) 14< .1 лГ.М 1ЫМ«1П ОШШ'ГЖ Ы 11 К

\ < фи.|1.фц П»МШ»>| ту\уроим1Пи|11к<и11 |ч>. и.

V1 ! ! фпхшоля

СУ

Рисунок 1 - Функционально-информационная схема КИВ

Рисунок 2 - Схема работы КИВ на траектории

На рис.1 приняты обозначения: Ярв - высота радиовысотомера; #ннс, -

высота и вертикальная скорость ИНС; ЯК1Ш, Кк{1В - высота и вертикальная скорость КИВ; Н ,Уу - высота, вертикальная скорость из алгоритма комплексирова-ния; айу - оценка нулевого сигнала; v - ошибка априорной оценки выхода фильтра Калмана (невязка); сгвол, /г^ - среднеквадратическое отклонение (СКО) и высота волнения.

Алгоритм оценки параметров волнения в условиях равномерного горизонтального полета непрерывно обеспечивает расчет высоты волны относительно среднего уровня подстилающей поверхности. На интервале времени Гвол формируется

скользящая последовательность измерений Н'рв, ¡-¡-1,Мвол. На заданном интервале оцениваются математическое ожидание и дисперсия измерений в виде случайных величин, распределенных по закону Рэлея.

Высота волны /гвол = 2,50^Ьярв формируется как среднее значение, имеющее

46%-ную обеспеченность.

Высота волны и СКО ординат волновой поверхности алгоритма и используются при формировании высоты полета над гребнями волн, а также в алгоритме идентификации ложной информации РВ для коррекции параметров допуска.

Алгоритм комплексирования реализует совместную обработку измерений ИНС и РВ методами калмановской фильтрации. В качестве уравнений состояния фильтра используются уравнения ошибок ИНС в вертикальном канале, решения которых относительно высоты и вертикальной скорости имеют вид:

А/у-'

= 5}'о + 5у0 • I + —^—, 5у = 5у0+Д/у

где бу - погрешности счисления высоты и вертикальной скорости, 5уо, 5-начальные ошибки задания высоты и вертикальной скорости, - инструментальные ошибки акселерометров в проекции на вертикальную ось, / - время автономной работы ИНС.

Вектор состояния фильтра Калмана х включает оценки ошибок ИНС по высоте 8у и вертикальной скорости 5у, а также оценку ошибки, эквивалентной нулевому

сигналу вертикального акселерометра А/у. Таким образом, х = [8у 5у Д/^ .

Вектор измерений фильтрам представляет собой разность высот ИНС (//цнс)11 № (//РВ),т.е. 2 = //пнс-ЯРВ.

Фильтр Калмана в штатном режиме работы КИВ использует задержанные (сдвинутые назад по времени на N тактов) измерения ИНС и РВ. Измерения

= ~ рассчитанные на такте к + 1-Л^, используются на

такте к +1, при этом осуществляется корректирование априорной оценки вектора состояния хк+\-ы/к с учетом измерений

xk+l-N:=xk+^-NJk-N + Kk + ]-N^(zk + \-N~Hk + \-N^xk+\-Nlk-N)■

Вектор состояния экстраполируется на текущий момент времени с использованием матрицы состояния системы Ф, т.е. операция хк+2_н =Ф*+2-л' осуществляется N раз.

В алгоритме идентификации ложной информации РВ образуется непрерывно обновляющаяся скользящая последовательность задержанных измерений РВ и ИНС (в виде ошибок априорных оценок выхода фильтра Калмана (невязок) из алгоритма комплексирования). Каждое текущее измерение проходит двойной до-пусковый контроль. Задачей первого допускового контроля является определение явной сбойной (ложной) информации РВ. Первый параметр допуска имеет значение в половину заданной высоты маловысотного полета (ртзх =0,5-Нзад). Второй контроль фиксирует возможные отказы РВ. Величина второго параметра допуска меньше первого {рт;п < ртах) и соответствует штатному режиму работы фильтра Калмана. В состав параметров допуска включаются СКО ординат волновой поверхности, а также составляющая, равная 3% от текущей высоты полета БПЛА (средняя погрешность РВ, зависящая от высоты). Параметры допуска рассчитываются следующим образом:

Ртох=()-5'Яма +ствол + 0,03 • НТСК;

Ртт = Рф+авол + 0,03-Ятск;

где //зад - заданная высота маловысотного полета; ствол - СКО ординат волновой поверхности; #тек - текущая высота полета; рф - параметр допуска, соответствующий штатному режиму работы фильтра Калмана.

При превышении невязкой первого параметра допуска текущее измерение РВ объявляется ложным, КИВ переходит в режим экстраполяции. Если количество сбоев превышает половину интервала запаздывания, то все измерения на интервале объявляются ложными и исключаются из комплексной обработки. Если невязка проходит первый контроль, но превышает второй параметр допуска, то сбой не объявляется, но начинают рассчитываться резервные параметры - вектор состояния, высота и вертикальная скорость. Резервные параметры используются, если алгоритм переходит в режим экстраполяции с ненулевым значением счетчика сбоев второго допускового контроля.

Использование допускового контроля для задачи идентификации ложной информации РВ имеет недостаток, заключающийся в способе формирования параметров допуска (априорное значение в виде экспертной оценки). Исключение данного недостатка возможно при использовании в процессе полета апостериорных оценок параметров допуска, полученных, например, на основе теории временных рядов.

Последовательность невязок фильтра Калмана представляет собой ряд зависимых наблюдений, полученных в дискретные моменты времени. Такой ряд можно рассматривать как обобщенный случайный процесс, определенный на подпространстве Ф^ основных функций у которых преобразование Фурье ф^(^) имеет при X = 0 нуль по крайней мере <1 -ого порядка: ф(Д0) = ф^(0) = ... = ф^'~1)(0) = 0. Получение параметрической модели для дискретного временного ряда, обладающей максимальной простотой и минимальным числом параметров и при этом адекватно описывающей наблюдения (в рассматриваемом случае - последовательность невязок), необходимо для получения прогноза на будущие моменты времени. Использование доступных к моменту времени / наблюдений временного ряда невязок алгоритма комплексирования для прогнозирования его значения в некоторый момент времени в будущем г + /, где / -интервал запаздывания фильтра Калмана, является основой для задачи идентификации ложной информации РВ. Роль параметра допуска в этом случае выполняет дисперсия ошибок прогноза, вычисляемая на каждом шаге работы алгоритма. Невязка, выходящая в момент времени / + / за пределы, в которых по прогнозу с заданной вероятностью должны лежать будущие значения ряда, исключается из обработки.

Согласно выражениям для фильтра Калмана, ошибкой априорной оценки выхода фильтра, называемой невязкой, является величина:

ук!к-1 = 2к ~гк!к-1 ~2к -Хк/к^ =Нк ■Хк/к_1 +Ук, где Ук - шум измерений на шаге к.

Невязка хранит обновляемую на каждом шаге информацию об измерениях гк, и, кроме того, учитывает все прошлые измерения от г, до гк_1, так как

к-1

*к!к-\ =фк,к-\'Хк-1> а = Е СГ2/ >

1=0

где Ф^ - матрица состояния системы, С,- - коэффициенты линейной комбинации измерений.

С другой стороны, текущее значение невязки чк может быть представлено в виде линейной совокупности предыдущих значений невязок V,,..., и текуще-

4-1

го измерения гк: ук1к_] = гк - Н ■ хк1к_} = НФкх0 - ^НФ'К\,к_, + Ук.

1=1

В зависимости от начального значения вектора состояния х0, слагаемое НФкх0 равняется нулю или является постоянным членом, определяя тем самым значение детерминированного линейного тренда ряда невязок.

На рис.3 приведен график невязок фильтра Калмана, полученных при выполнении маневра типа «змейка» в полете на высоте 10 м над водной поверхностью в условиях волнения 6 баллов. Как видно из графиков, последовательность невязок проявляет нестационарный характер, являясь, тем не менее, однородной в том смысле, что если не учитывать локальный уровень, то любая часть временного ряда невязок по своему поведению во многом подобна любой другой. На рис.4 представлен выделенный участок рис.3. Характер поведения невязок на участке маневра с учетом различий в уровне сохраняется.

- Т7 , _ Рисунок 4 - Невязка,

Рисунок 3 - Невязка, волнение 6 баллов

выделенный участок Таким образом, ряд невязок можно рассматривать как однородный нестационарный процесс. Модель, описывающую такое однородное нестационарное поведение, можно получить, предположив, что некая подходящая разность процесса стационарна. Это позволяет при определении параметрических моделей использовать приемы и методы, характерные для исследования стационарных процессов.

Для описания временных рядов, которые не обязательно стационарны, но, тем не менее, в некотором смысле статистически однородны, может быть использован класс моделей, полученных процессом авторегрессии-проинтегрированного скользящего среднего АРПСС порядка (р, а*, д). Обозначив значения процесса (последовательности невязок) в равноотстоящие моменты времени /,/ — 1,1 — 2, ... как г,, г,_2,...., а г,, г,_2,... - отклонения от среднего значения процесса р, например г, = г, - Ц, процесс АРПСС, выражается как

ф(5)5, =0(В)а,, или ф(Я)ю, =0{В)а, ш, =(1 - В)* г, = Уг,,

где В - оператор сдвига назад, ф(В) - обобщенный оператор авторегрессии (ЛР), ф(£) = 1 - ф^ - ф252 Вр - стационарный оператор АР порядка р,

0(В) = 1 -0,В -02В2 - ...-О В4 -оператор скользящего среднего (СС) порядка д.

Определение модели на основании наблюдаемых данных обычно лучше всего достигается трехступенчатой итеративной процедурой, основанной на идентификации, оценивании и диагностической проверке (подтверждении адекватности модели).

Анализ выборочных автокорреляционных и частных автокорреляционных функций процесса невязок фильтра по совместной обработке данных ИНС и РВ показывает, что для оценки может быть использована модель (5, 1, 0) или (5, 0, 0).

Проверка АРПСС моделей (5, 1, 0) и (5, 0, 0) с использованием ^-распределения с 20 степенями свободы показывает, что для модели (5, 1, 0) среднее значение составляет 0 = 23,4, для модели (5,0,0) - 2 = 9,8. Сравнение с таблицей %2 показывает, что рассматриваемые модели адекватны. Но анализ величин Q дает основание предположить, что модель (5,0,0) может более точно объяснить наблюдения невязок, а, следовательно, использование этой модели даст возможность получить более точный прогноз временного ряда.

Вероятностные пределы для прогнозов значений невязок вычисляются подстановкой весов у в выражение

5,+,( ±) = г,(0±«е/2

для каждого нужного уровня вероятности е и для каждого упреждения /, здесь веса у вычисляются по формулам:

VI =Ф| - о,,

¥2 =Ф1Ч»1 +Фг -02.

V/ =Ф|Уу-2 +■■■ + <f>p + d^j-p-d-Qj^ где 0j = 0 для , остаточную дисперсию оа можно заменить оценкой, -выборочным стандартным отклонением белого шума а,, а ие/2 - квантиль уровня 1-е/2 стандартного нормального отклонения.

На рис.5, 6 приведены прогнозы процесса невязок с упреждением / = 10 с вероятностными 95%-ными пределами, полученные с использованием моделей (5, 0, 0) и (5, 1, 0). На рисунках введены обозначения: г1 -процесс, полученный из невязок фильтра Калмана; г,(7)- прогнозы невязок с упреждением 1= 10; г!+г(±) - вероятностные 95%-ные пределы.

ЪгМХ

Рисунок 5 - Прогнозы невязок Рисунок 6 - Прогнозы невязок

модель (5, 0, 0) модель (5, 1, 0)

Модели (5, 0, 0) и (5, 1, 0) дают удовлетворительный прогноз значений невязок с упреждением 10, и, следовательно, могут быть использованы для задачи идентификации ложной информации РВ.

В алгоритме защиты используются ТУ = 100 измерений (длина последовательности должна быть не менее 60 измерений): для модели (5, 0, 0) последовательность невязок V], \,2,Уд>; для модели (5, 1, 0) последовательность первых разностей невязок ¡ч ■ Первые \,2,..., N ~т-\ наблюдений, где т = Гзап /0,1 - число невязок или их первых разностей на интервале запаздывания, используются для задачи идентификации параметров модели временного рада. На каждом шаге работы КИВ рассчитываются прогнозы последовательности в момент Ы-т-Х с упреждениями 1,2,...,« с расчетом вероятностных пределов ошибок прогнозирования. Каждая невязка из последовательности с номерами уЫ~т' ^ы-т+\' ■■■' Vл' сравнивается с соответствующим прогнозом, полученным в момент N-117-1, Vдг_,„_[(1), VЛг_„,_1(2),Схема формирования прогнозов на одном такте работы КИВ представлена на рис.7. Если более половины невязок из интервала запаздывания выходят за вероятностные пределы прогнозов, то невязки на всем интервале запаздывания исключаются из совместной обработки.

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ НЕВЯЗОК

АЛГОРИТМ КОМШШКСНРОВАНИЯ

Рисунок 7 - Схема формирования вероятностных прогнозов Задача расчета минимального безопасного значения смещения по высоте в процессе полета в отсутствии данных РВ решается за счет оценки ошибок ИНС. Величина ускорения для расчета величины смещения по высоте определяется как

асм = 2'

(А^нсстац г ^аъол

Л

Ло„

уО

Т .

где Лс'нсстац ~~ величина нестационарности оценки нулевого сигнала на длитель-

но

1-0

ном интервале (100 с); аутах, ки нулевого сигнала на интервале; Аавш,

отклонение оценки нулевого сигнала

от номинального значения при волнении подстилающей поверхности; асм - ускорение расчета величины смещения по высоте.

Расчет смещения производится в режиме экстраполяции интегрированием зафиксированного значения ускорения ясм с нулевыми начальными условиями (//см =ясм). Формируемое значение смещения вычитается из высоты, рассчитываемой КИВ для системы управления.

Математическое моделирование показывает, что использование расчетного значения смещения по высоте вызывает подъем БПЛА на 1-2 м за 30 с режима пролонгации, тем самым обеспечивая расчетное качество управления в вертикальном канале (использование традиционного априорного смещения приводит к подъему до 60 м за 30 с).

Таким образом, разработанный КИВ представляет собой адаптивный, настраиваемый в полете инструмент, обеспечивающий систему управления точной и достоверной информацией о параметрах вертикального движения в условиях сбойной работы РВ. При разработке алгоритмов предложены новые методы и применены оригинальные решения для выполнения поставленных задач.

В третьей главе производится разработка комплекса математического моделирования - полной цифровой модели БПЛА как объекта управления. Проводится исследование разработанного КИВ методами математического моделирования. Приводятся результаты экспериментальных исследований.

Траектория движения, используемая при моделировании (рис.2), является типовой и включает участок пикирования, выход на заданную высоту горизонтального полета, полет на малой высоте над водной поверхностью с переходом на предельно малую высоту.

При моделировании задаются номинальные величины СКО инструментальных погрешностей датчиков первичной информации ИНС: нулевые сигналы акселерометров 2-10 дрейф датчиков угловых скоростей 1 7ч, погрешности масштабных коэффициентов акселерометров 0,2%.

В ходе моделирования имитируются отказные ситуации в работе РВ:

- отказы со снятием признака достоверности данных РВ;

- выдача ложной информации, когда РВ формирует данные о высоте, не соответствующие истинному движению, без снятия признака достоверности данных.

При моделировании задается типовая ложная информация РВ:

1. Одиночный сбой, когда погрешность измерения высоты представляет собой случайный скачкообразный процесс.

2. Ступенчатый сбой идентичен по характеру одиночному сбою, однако интервал времени выдачи ложной информации может достигать величины 3 секунд;

3.Случайный тренд - накапливающаяся во времени погрешность РВ.

На рис.8, 9 приведены результаты моделирования при движении типа «змейка» в горизонтальной плоскости и отказе РВ на участке горизонтального полета в конце траектории.

Рисунок 8 - Углы ориентации (курс у, тангаж и, крен у), град

Рисунок 9 - Истинная высота, высота КИВ, высота РВ и высота ИНС, м

Моделирование показало, что в условиях выполнения горизонтальных маневров КИВ обеспечивает при отказе РВ длительностью до 30 с подъем БПЛЛ на ~ 12 м относительно заданного значения.

На рис.10 показан отказ РВ на участке пикирования в виде выдачи ложной информации о высоте с запаздыванием снятия и опережением выставки признака достоверности данных. На рис.11 приведены результаты моделирования в случае выдачи РВ ложной информации на участке выхода из пикирования на заданную высоту 10 м. Отказ на участке выхода наиболее опасен из-за возможности просадки и приводнения БПЛА.

Ложная информация РВ - экстраполятор нулмого поряака__ .....:........

лчи^-

н„,.г и,-,

1 ЧшИ....."

Ч!С_

Рисунок 10-Участок торможения, масштаб ДДрв = 2000

Рисунок 11 - Участок выхода из пикирования, масштаб ДДрв = 80

Моделирование ложной информации РВ на участке горизонтального полета в виде одиночного, ступенчатого сбоев и экстраполятора первого порядка (рис.12, а, б) показало надежную идентификацию ложной информации РВ по предложенной схеме и исключение из обработки недостоверной информации, а) Без защиты от ложной информации б) С защитой от ложной информации

Щи/

^кш

? ~ !

V

' ДАв/

"и»

"ыш

—7ТГ>—

Рисунок 12 - Экстраполятор первого порядка, масштаб ДДрв = 50

На рис.13 показана работа КИВ в условиях отказа РВ при переходе на предельно малую высоту в виде экстраполятора нулевого порядка с использованием априорных параметров допуска (а) и защитой на основе анализа временных рядов (б).

Анализ показывает, что в КИВ с использованием защиты с априорными параметрами допуска при отказе РВ сбой не был идентифицирован, что привело к просадке БПЛА (эквивалентно падению БПЛА). Защита на основе прогноза параметрической модели невязки в виде временного ряда обеспечила своевременную идентификацию ложной информации.

а) Априорные параметры допуска б) Адаптивные параметры допуска

-миг

"»Г

Рисунок 13 - Высота истинная, КИВ и РВ

Таким образом, математическое моделирование КИВ показало его работоспособность в штатных условиях применения над водной поверхностью и в условиях сбойной работы РВ. При этом получены следующие основные результаты:

1. КИВ обеспечивает апостериорную экстраполяцию по полетным оценкам ошибок ИНС при дальности движения свыше 50 км;

2. Высота подъема БПЛА за 30 с в условиях экстраполяции составила менее 3 м;

3. КИВ формирует и выдает в СУ высоту над гребнями волн, прошедшую алгоритм идентификации ложной информации РВ;

4. Алгоритм идентификации ложной информации обеспечивает надежную защиту от недостоверной информации РВ на всей траектории полета. Идеология функционирования КИВ обеспечивает безопасный полет БПЛА и расчетное качество управления в вертикальной плоскости в условиях отказов в работе РВ.

На следующих графиках представлены результаты летно-конструкторских испытаний (ЛКИ) БПЛА, в состав которого введен разработанный КИВ. Анализ проводился по телеметрической информации, полученной в ходе контрольных работ в рамках ЛКИ.

На рис.14 приведены графики высоты РВ, КИВ и признаки достоверности и экстраполяции (в соответствующем масштабе) при отказе РВ на участке пикирования. Из графиков видно, что недостоверная высота РВ привела в классическом КИВ (а) к расчету недостоверной высоты и последующей некорректной экстраполяции. КИВ, включающий разработанный алгоритм защиты (б), своевременно идентифицировал ложную информацию и функционировал в режиме экстраполяции до момента появления достоверных данных РВ.

а) Классический КИВ_

м ч? ............1........ / 1 н.„ д. .......»;' .

И ; : ...........

И'' ! 1 1 1 Г, 1 1 1 — л

• «

6) Разработанный КИВ

; V ! '•! и», I

! , ..... ■ .у-1» \ 1" . ... ) ..(.......... ЛЗсч ............................

и; 1 ' 1 :

Рисунок 14 - Высота КИВ и РВ, признаки достоверности и экстраполяции На рис.15 представлен случай выдачи РВ недостоверной высоты за ~ 1 с до снятия признака достоверности. В КИВ с защитой только от одиночных сбоев (а) это привело к некорректной экстраполяции в отсутствии данных РВ. В КИВ, реализованным в соответствии с предложенной идеологией (б), при появлении недостоверных данных был вызван расчет резервных высоты и вертикальной скорости, которые при переходе в режим экстраполяции использовались за исходные данные для интегрирования.

а) Классический КИВ

тДШ'КЖКГНЛЙ ИПФ01Л1 ШШ 1 1 1 Нмш ..... ■'• ■ ■ - 'л ■•

1 .. ________ ;.....V' Шзх.

л 4............................................

б) Разработанный КИВ

Си ЧМ 1 Ш и'пи\,.............,,........................

М МЛГЛМЫ1ЧЖ : V |{||, I _ 1 "1.1

Ни

!

Рисунок 15 - Высота КИВ и РВ, признаки достоверности и экстраполяции На рис.16 представлен случай выдачи РВ недостоверной информации в полете, близком к горизонтальному полету над морской поверхностью. На рис.17 представлен график невязки разработанного КИВ и параметров допуска.

Ч II..,. . , ^

V

Рисунок 16 - Высота КИВ и РВ, признаки достоверности и экстраполяции

Рисунок 17 - Невязка фильтра Калмана, параметры допуска, м признак режима экстраполяции КИВ Таким образом, анализ результатов ЛКИ БИЛЛ показал, что в реальных условиях применения при наличии отказов в работе радиовысотомера и выдачи им ложной информации КИВ, построенный в соответствии с предложенной в диссертационной работе идеологией, включающий разработанные методы и алгоритмы, обеспечивает:

- своевременную идентификацию ложных измерений РВ,

- исключение из обработки недостоверных измерений РВ,

- формирование достоверных измерений высоты и вертикальной скорости в режиме экстраполяции.

Сравнение с результатами работы классического КИВ демонстрирует последствия, к которым приводит сбойная работа РВ. Полет БПЛЛ в условиях помех в работе РВ с классическим КИВ неизбежно закончился бы аварийной ситуацией.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. В диссертационной работе предложен новый подход к построению комплексного измерителя высоты, заключающийся в решении задач информационного обеспечения системы управления движением в вертикальной плоскости в едином комплексе и построении адаптивной, настраиваемой в полете информационной системы.

2. Предложен новый подход к решению проблемы идентификации ложной информации радиовысотомера, интегрированный в стандартные алгоритмы фильтрации и заключающийся в использовании интервального запаздывания для оценки достоверности данных на интервале времени.

3. Предложен новый метод формирования критерия идентификации ложной информации радиовысотомера, основанный на использовании параметрической модели временного ряда для прогноза ошибок априорных оценок фильтра Калмана на интервале запаздывания. Использование вероятностных пределов ошибок прогноза в качестве критерия достоверности измерений радиовысотомера обеспечило повышенную надежность защиты и независимость работы алгоритма идентификации ложной информации от условий применения и внешних возмущений.

4. Предложено алгоритмическое решение задачи обеспечения расчетного качества управления БПЛА в вертикальной плоскости в случае отказа радиовысотомера за счет оценки ошибок ИНС и характеристик подстилающей поверхности и формирования минимального безопасного смещения по высоте.

5. Проведены экспериментальные исследования разработанного комплексного измерителя высоты методами математического моделирования и анализ результатов летно-конструкторских испытаний БПЛА, в состав которого введен разработанный комплексный измеритель высоты, которые показали работоспособность предложенных в диссертационной работе идеологии, методов и алгоритмов в реальных условиях функционирования.

Основным достоинством предложенного подхода к решению задачи информационного обеспечения системы управления движением при полете на малой высоте над водной поверхностью в условиях помех в работе радиовысотомера является алгоритмическое обеспечение точной и достоверной информацией о параметрах вертикального движения без использования аппаратной избыточности.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи, опубликованные н рекомендованных ВАК изданиях:

1. Фролова, O.A. Оценка параметров волновой поверхности по измерениям радиовысотомера / O.A. Фролова // Вестник МАИ. - 2010. - №4. - С. 159-166.

2. Фролова, O.A. Помсхозащищсннын комплексный измеритель высоты беспилотного летательного аппарата / O.A. Фролова // Вестник Нижегородского университета им. H.H. Лобачевского. - 2010. - №4. - С. 148-154.

3. Фролова, O.A. Комплексная навигационная система летательного аппарата / А.Ю. Мишин, Ю.К. Исаев, O.A. Фролова, A.B. Егоров // Электронный журнал «Труды МАИ». - 2010. - №. 38.

4. Фролова, O.A., Помехоустойчивая система управления движением над водной поверхностью / O.A. Фролова, А.Ю. Мишин, В.П. Ульянов // Авиакосмическое приборостроение. - 2009. - № 5. - С. 6-11.

5. Фролова, O.A. Настройка комплексной радиоинерциалыюй системы управления маловысотным полетом / O.A. Фролова // Авиакосмическое приборостроение. - 2009. - №.12 - С. 10-17 .

6. Патент на изобретение № 2394264 «Устройство для управления полетом над водной поверхностью (варианты)» с приоритетом от 12.05.2008. В.П. Ульянов, O.A. Фролова. Патентообладатель: Открытое акционерное общество Арзамасское научно-производственное предприятие «ТЕМП-АВИА».

Статьи, опубликованные в других изданиях, и материалы конференции:

7. Фролова, O.A. Комплексный радиоинерциальный измеритель параметров маловысотного полета над водной поверхностью / O.A. Фролова, А.Ю. Мишин// Труды НГТУ. - 2010. - №2(81). - С. 11-20.

8. Фролова, O.A. Помехоустойчивый комплексный измеритель высоты над водной поверхностью / O.A. Фролова, А.Ю. Мишин // Материалы юбилейной X конференции молодых ученых «Навигация и управление движением». - СПб: ГНЦ РФ - ЦНИИ «Электроприбор», 2009. - С. 410-415.

9. Фролова, O.A. Математическое моделирование и оценка предельных условий применимости комплексной радиоинерциалыюй системы управления маловысотным полетом / O.A. Фролова, А.Ю. Мишин // Материалы юбилейной XI конференции молодых ученых «Навигация и управление движением». - СПб: ГНЦ РФ -ЦНИИ «Электроприбор», 2009, - С. 410-417.

10. Фролова, O.A. Проблема информационного обеспечения системы управления движением беспилотного летательного аппарата в вертикальной плоскости / O.A. Фролова, А.Ю. Мишин, В.П. Ульянов // Мир Авионики. - 2008. - №3 -С. 26-31.

11. Фролова, O.A. Анализ ошибок вертикального канала инерциальной системы / O.A. Фролова, А.Ю. Мишин II Прогрессивные технологии в машнпо- и приборостроении. Межвузовский сборник статей по материалам Всероссийской научно-технической конференции. - Н.Новгород-Арзамас: Изд-во НГТУ-АПИ НГТУ, 2007.-С. 379-384.

Подписано в печать 27.10.2010 г. Формат 60x84/16. Усл. псч. л. 1.25. Бумага офсстпая. Псчагь офсетная. Заказ № 6021. Тираж 90. Отпечатано в ОАО «Арзамасская типография» 607220, Нижегородская область, г. Арзамас, ул. Пландина, 8.