автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.01, диссертация на тему:Методы повышения точности измерений значений параметров полета летательного аппарата резервной системой ориентации

На правах рукописи

КОРНИЛОВ Анатолий Викторович

МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ ЗНАЧЕНИЙ ПАРАМЕТРОВ ПОЛЕТА ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА РЕЗЕРВНОЙ СИСТЕМОЙ ОРИЕНТАЦИИ

Специальность 05.11.01 - Приборы и методы измерения (механические величины)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 ДЕК 2013

005542624

Санкт Петербург 2013

005542624

Работа выполнена на кафедре измерительных технологий и компьютерной томографии Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики

Научный руководитель: Федоров Алексей Владимирович

доктор технических наук, профессор кафедры ИТиКТ НИУ ИТМО

Официальные оппоненты: Ефимов Владимир Васильевич

доктор технических наук, профессор, заместитель генерального директора ОАО «Авангард»

Силантьев Сергей Борисович

кандидат технических наук, доцент, профессор BKA им. А.Ф.Можайского

Ведущая организация: «Электроавтоматика», 198095, Россия,

Санкт-Петербург, ул. М. Говорова, д. 40

Защита состоится «26» декабря 2013 г. в 16.00 на заседании диссертационного совета Д212.227.04 при Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики по адресу: 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д.49, ауд.206

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского национального университета информационных технологий, механики и оптики.

Автореферат разослан «26» ноября 2013г.

Ваши отзывы и замечания по автореферату (в двух экземплярах), заверенные печатью, просим направлять по адресу университета: 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д.49, ученому секретарю диссертационного совета Д212.227.04.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент Киселев С.С.

Однако на сегодняшний недостаточно проработаны модели и методы, учитывающие перечисленные выше аспекты, а также ряд специфических особенностей построения PCO, что сказывается на точности измерений значений параметров полета ЛА.

Согласно государственной программе вооружения до 2020 г. «Создание научно-технического задела и обеспечение разработки новейших систем и образцов вооружения» [1], политике Российской Федерации в области развития науки и технологий [2], а также приоритетным направлениям развития науки, технологии и техники в Российской Федерации [3], разработка современных PCO является актуальной задачей. Необходимо отметить, что высокотехнологичные PCO крайне востребованы в авиации, а задачи разработки таких систем соответствуют тематике научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, проводимых предприятием ОАО АНПП «Темп-Авиа» (г. Арзамас). Все перечисленные факторы подтверждают актуальность темы диссертационных исследований.

Предметом научных исследований являются методы и средства повышения точности измерений значений параметров полета ЛА PCO, методы снижения погрешностей применяемых ДПИ.

Цель работы - разработка методов и средств, обеспечивающих повышение точности измерения значений параметров полета ЛА резервной системой ориентации.

Задачи исследования:

1) анализ современного состояния и перспектив развития автономных резервных ПП и систем ориентации пилотируемых аэродинамических ЛА, основных принципов работы платформенных и бесплатформенных ПП, обоснование возможности разработки моноблочной PCO;

2) разработка структуры PCO, обоснование выбора основных элементов и определение принципов функционирования системы; исследование возможных причин возникновения погрешностей ДПИ в автономном режиме работы и разработка методов снижения данных погрешностей;

3) разработка методов повышения точности измерений значений параметров полета ЛА PCO на основе комплексирования измерительной информации ДПИ;

4) экспериментальная апробация методов повышения точности измерений значений параметров полета ЛА PCO.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовался комплексный подход с применением методов теории инерциальной навигации, теории оценивания и теории измерений, методов имитационного моделирования и полиномиальной аппроксимации.

Положения, выносимые на защиту: 1) обоснование возможности создания автономной бесплатформенной PCO, датчиками первичной информации которой являются триада одноосных гироскопов и триада одноосных акселерометров; датчики полного и статического давления; датчик измерен™ составляющих магнитного поля Земли (магнитометр);

2) структура PCO на основе волоконно-оптических гироскопов, интегральных акселерометров, резонансных датчиков давления и аналогового магнитометра; метод, позволяющий вносить поправки, компенсирующие установочную погрешность магнитометра и магнитную девиацию, а также метод расчета значений дополнительной погрешности, вносимой преобразующими элементами модуля сопряжения PCO, при измерении значений высот-но-скоростных параметров (ВСП) ЛА;

3) метод коррекции измерения значений ВСП, основанный на комплекси-ровании измерительной информации, получаемой от датчиков давления (ДЦ) и акселерометров;

4) метод универсального включения-отключения коррекции измерений значений параметров ориентации JIA при различных режимах полета.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1) разработан новый метод внесения поправок, компенсирующих установочную ошибку магнитометра и магнитную девиацию, позволяющий, в отличие от известных методов, вычислять значения девиационных поправок путем поворота JIA на любой угол, но не менее 45°;

2) разработан новый метод коррекции, основанный на комплексировании измерительной информации, получаемой от ДЦ и акселерометров, который позволяет повысить точность измерения ВСП, а также значений параметров ориентации JIA.

Обоснованность и достоверность обеспечиваются согласованностью результатов исследований и их соответствием положениям теории инерци-альной навигации, теории оценивания и теории измерений; экспериментальной апробацией разработанных методов и средств при проведении наземной и летной отработке опытных образцов PCO в составе ПНК ЛА.

Практическая ценность работы. Разработанный метод расчета дополнительной погрешности, вносимой преобразующими элементами модуля сопряжения PCO, может быть использован при дополнительной калибровке ДД в составе PCO, сн позволяет снизить погрешность измерения ВСП ЛА в среднем на 30 %.

Для снижения величины погрешности измерений значений параметров ориентации маломаневренных и высокоманевренных ЛА при различных режимах полета может быть использован метод универсального включения-отключения коррекции, позволяющий снизить значения послевиражных погрешностей минимум в 2 раза.

Внедрение результатов работы. Основные результаты работы реализованы при создании опытных образцов изделий «Интегрированная система резервных приборов ИСРП» и «Датчик курса и вертикали ДКВ» в ОАО АНПП «Темп-Авиа», а также в учебном процессе кафедры «Авиационные приборы и устройства» АПИ (ф) НГТУ им. P.E. Алексеева, о чем свидетельствуют Акты о внедрении.

Апробация результатов работы. Полученные результаты докладывались и обсуждались на следующих семинарах и конференциях: Всероссийской научно-технической конференции «Прогрессивные технологии в маши-

но- и приборостроении» (Н. Новгород, 2008, 2010), Международной молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки» (Н.Новгород, 2009,2012), XVII Санкт-Петербургской международной конференции по интегрированным навигационным системам (Санкт-Петербург, 2010), XIII и XV конференциях молодых ученых «Навигация и управление движением» (Санкт-Петербург, 2011, 2013), V областном конкурсе инновационных молодежных команд «РОСТ» (Н. Новгород, 2011).

Исследования проводились в рамках ОКР «Разработка датчика курса и вертикали ДКВ-21» и ОКР «Разработка интегрированной системы резервных приборов ИСРП-35».

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ, 2 из них - в периодических изданиях из списка ВАК. Получен 1 патент на изобретение на техническое решение, с использованием средств измерений, применяемых в разработанной PCO.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованной литературы (99 наименований) и приложений. Основной текст работы (135 страниц) включает 12 таблиц и 45 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационных исследований, сформулированы цель исследований, научные положения, выносимые на защиту, приведена краткая аннотация работы.

В главе 1 представлена классификация навигационных систем подвижных объектов. Определены параметры полета аэродинамического ЛА, подлежащие измерению PCO.

Рассмотрены достоинства и недостатки применяемых на пилотируемых JIA платформенных и бесплатформенных ПЛ. Проанализированы ДПИ, используемые в современных системах ориентации ЛА.

Рассмотрены основные принципы работы бесплатформенных инерци-альных навигационных систем и систем ориентации. Обоснована целесообразность разработки моноблочной PCO, состоящей из триады одноосных гироскопов и триады одноосных акселерометров; датчиков полного и статического давления; датчика измерения составляющих магнитного поля Земли (магнитометра). Показано, что для повышения точности измерений значений параметров полета ЛА PCO необходима разработка моделей и методов, учитывающих погрешности ДПИ и специфические особенности построения системы.

В главе 2 разработана структура PCO (рис. 1), основными элементами которой являются электрорадиоизделия отечественного производства.

Рис. 1. Структурная схема разработанной PCO

На основе проведенного анализа современных ДПИ, с учетом требований к массогабаритным и точностным характеристикам PCO, предложено использовать следующие отечественные электрорадионзделия и компоненты: три одноосных волоконно-оптических гироскопа ВГ071П (ЗАО «Фи-зоптика», Россия);

три одноосных интегральных компенсационных акселерометра АТ1104-50 (ОАО АНПП «Темп-Авиа», Россия) со встроенными датчиками температуры;

узел датчиков давления (ОАО «Аэроприбор-Восход», Россия); располагаемый дистанционно двухосевой феррозондовый МА-2 или трехосевой аналоговый магнитометр МА-8 (ОАО «Раменское приборостроительное конструкторское бюро», Россия).

Устройство сопряжения служит для преобразования аналоговых сигналов, поступающих от датчиков давления и инерциального измерительного блока (ИИБ), в цифровой код и передачи его в модуль контроллеров, предназначенный для преобразования аналоговых сигналов, поступающие от ИИБ и магнитометра.

В вычислительном модуле реализуются алгоритмы вычисления пространственного положения объекта и высотно-скоростных параметров. Информация с вычислительного модуля передается на модуль формирования изображения (МФИ), в технологический порт и в модуль сопряжения.

Рис. 6. Схема реализации контура коррекции значений параметров ориентации на основе метода комплексирования измерительной информации, получаемой от ТМ, трех одноосных ДУС и трех акселерометров

Предложенный метод позволяет выполнять двойную оценку угловой скорости для минимизации систематической ошибки ДУС, тем самым повышая точность измерения значений углов крена и тангажа ЛА (см. рис. 6).

Второй метод коррекции основан на комплексировании измерительной информации, получаемой от ДД и акселерометров. Показано, что ошибки определения значений параметров ориентации ЛА можно корректировать с помощью поступающей от ДД измерительной информации о полном и статическом давлении, а также измерительной информации о вертикальном ускорении, поступающей от акселерометра по каналу вертикального ускорения, на основе их обработки в фильтре Калмана (ФК). Схема, поясняющая работу предложенного метода комплексирования, представлена на рис. 7.

4|, 4ф,

Рис. 7. Схема реализации контура коррекции значений параметров ориентации и ВСП на основе метода комплексировании измерительной информации, получаемой от ДД и акселерометров

ii..... - — ..............--¿-— ::::::::;::::::.: :.:::: -.......1 ., ^ \ ч 1" ■■ —

б) бремя,с

Рис. 13. Изменение значений угла крена, измеренных ИНС ЛГ (а) и опытным образцом PCO ИСРП-35 (б) при проведении летной отработки (режим прямолинейного полета после разворота по крену на 180°)

Ы .-I T.....:.....; H^IA iwf; V V. -•;■' Чу '4,

ййк :i-it'l> rt га»! ji® ' : ЭД > ä» лш t s*:

бремя,С

Рис. 14. Изменение погрешности измерения значений угла крена (режим прямолинейного полета после разворота по крену на 180°)

б) бремя,с

Рис. 15. Изменение значений приборной скорости, измеренных ИНС ЛГ (а) и опытным образцом PCO ИСРП-35(б) при летной отработке (режим прямолинейного

полета)

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в периодических изданиях ВАК:

1. Гребнев И.Г., Корнилов A.B., Свяжин Д.В. Методика списания девиа-ционной погрешности двухкомпонентного магнитометра // Гироскопия и навигация. 2010. №3 (70). С.105.

2. Ильясов СЛ., Корнилов A.B., Свяжин Д.В. Разработка схем комплек-сирования инерциального измерительного модуля бесплатформенной системы ориентации // Науч.-техн. вестник Поволжья. 2013. № 4. С.174—177.

Публикации в прочих изданиях:

3. Вавилов И.В., Корнилов A.B. Конструктивные особенности чувствительного элемента типа «несимметричный маятник» // Труды Нижегородского государственного технического университета им. P.E. Алексеева. 2010. №2(81). С. 351-356.

4. Корнилов A.B. Система ориентации летательного аппарата на интегральных датчиках // Труды Нижегородского государственного технического университета им. P.E. Алексеева. 2010. № 4(83). С. 327-332.

5. Корнилов A.B. Повышение надежности резервных систем ориентации на интегральных датчиках // Труды Нижегородского государственного технического университета им. P.E. Алексеева. 2011. № 3(90). С. 336-340.

в. Гребнев И.Г., Корнилов A.B., Свяжин Д.В. Методика списания девиа-ционной погрешности двухкомпонентного магнитометра // Сб. матер. XVII Междунар. конф. по интегрированным навигационным системам. СПб: ЦНИИ «Электроприбор», 2010. С. 283-285.

7. Корнилов A.B., Лосев В.В., Свяжин Д.В. Интегрированная система резервных приборов // Матер, докл. XIII конф. молодых ученых «Навигация и управление движением». СПб: ЦНИИ «Электроприбор», 2011. С. 364-373.

8. Корнилов A.B. Интегрированная система резервных приборов // Тез. докл. VIII Междунар. молодеж. науч.-техн. конф. «Будущее технической науки». Н. Новгород: НГТУ им. P.E. Алексеева, 2009. С. 328-329.

9. Гребнев И.Г., Корнилов A.B. Методика устранения девиационной погрешности интегрированной системы резервных приборов // Матер. Всеросс. науч.-техн. конф. «Прогрессивные технологии в машино- и приборостроении». Н. Новгород-Арзамас: НГТУ-АПИ НГТУ, 2010. С. 145-152.

Патенты и авторские свидетельства

10. Патент № 2427799 С1 РФ. Система для определения пространственного положения и курса летательного аппарата / A.B. Корнилов, Д.В. Свяжин. Заявл. 15.06.2010; опубл. 27.08.2011.

СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. В новой Государственной программе вооружения приоритет отдан высокотехнологичным образцам // Национальная оборона. 2013. № 4. [Электронный ресурс]:

<http://www.oborona.ru/includes/periodics/maintheme/2011/.0314/21345724/detai

1.shtml (дата обращения 12.03.2013).

2. Перечень критических технологий Российской Федерации (Утвержден Указом Президента Российской Федерации от 7 июля 2011 г. N 899) [Электронный ресурс]: <http://xn--dlabbgf6aiiy.xn~plai/ref_notes/988> (дата обращения 12.03.2013).

3. Приоритетные направления развития науки, технологии и техники в Российской Федерации (Утверждены Указом Президента Российской Федерации от 7 июля 2011 г. N 899) [Электронный ресурс]: <http://xn~ dlabbgf6aiiy.xn-plai/ref_notes/987> (дата обращения 12.03.2013).

4. Пат. № 2085850 РФ. Система курса и вертикали и способ определения магнитного курса/В. Л. Ьудкин, Г.И. Джсшджгава, A.B. Федоров, H.A. Цеп-ляев. Заявл. 03.02.94; опубл. 27.07.97.

5. Авиационные магнитные компасы и их применение [Электронный ресурс]: <http://aerochayka.ni/disc/teorija/svzh/NAV03.HTM> (дата обращения 21.03.13)

6. Силкин A.A. Синтез и анализ алгоритмов определения пространственной ориентации беспилотной аэродинамической платформы по измерениям магнитного поля земли: Дис. канд. техн. наук. М.: Ин-т машиноведения им. A.A. БлагонравоваРАН, 2002. 175 с.

7. Липтон А. Выставка инерциальных систем на подвижном основании / Пер. с англ. Л.Г. Клибанова; под ред. В.Л. Леонидова. М.: Наука, 1971. 168 с.

8. Автономные авиагоризонты со смешанной индикацией АГР-29, АГР-29М, АГР-81 ОАО АНПП «Темп-Авиа» [Электронный ресурс]: <http://www.temp-avia.ru/catalog/detaiI/> (дата обращения 10.11.13)

Тираж: 100 экз. Заказ: 403 Отпечатано: Учреждение «Университетские телекоммуникации» 197101, Санкт-Петербург, Саблинская ул, д. 14 +7(812)9151454, zakaz@tibir.ru, www.tibir.ru Объем 1,0 у.п.л. Корректор Позднякова Л.Г.