автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Синтез алгоритмов функционирования бортовой навигационной системы для малоразмерных беспилотных летательных аппаратов

Введение

1 Обзор навигационных систем беспилотных летательных аппаратов

1.1 Постановка задачи управления беспилотными летательными аппаратами

1.2 Обзор навигационных систем

1.2.1 Классификация навигационных систем, применяемых для беспилотных летательных аппаратов

1.2.2 Инерциальные навигационные системы

1.2.3 Доплеровские навигационные системы

1.2.4 Корреляционно-экстремальные навигационные системы

1.2.5 Дальномерные навигационные системы

1.2.6 Спутниковые навигационные системы

1.3 Выбор оптимальной навигационной системы

1.3.1 Критерии оптимальности навигационной системы

1.3.2 Комплексирование автономной и спутниковой навигационных систем

1.4 Выбор метода комплексирования датчиков навигационной информации

1.4.1 Комплексная первичная и вторичная обработка информации

1.4.2 Применение методов марковской теории нелинейной оптимальной фильтрации

1.4.3 Оптимальная фильтрация на фоне окрашенных шумов наблюдения

1.5 Анализ существующих схем комплексирования навигационных датчиков

Выводы

2 Математические модели объектов

2.1 Математические модели движения беспилотного летательного аппарата

2.1.1 Детерминированная нелинейная математическая модель

2.1.1.1 Уравнения пространственного движения

2.1.1.2 Вычисление внешних и внутренних сил

2.1.1.3 Вычисление аэродинамических моментов

2.1.2 Уравнения динамики поступательного движения беспилотного летательного аппарата в траекторной системе координат

2.1.3 Введение траекторных углов атаки, скольжения и крена в вектор состояния модели

2.1.4 Математические модели возмущающих факторов

2.1.5 Стохастическая нелинейная модель

2.1.6 Полная линейная модель

2.1.7 Разделение полной линейной модели на изолированные продольное и боковое движения

2.2 Математические модели датчиков

2.2.1 Анализ статистической обработки навигационных данных бортовой спутниковой навигационной системы

2.2.2 Математические модели датчиков автономной навигационной системы

Выводы

3 Синтез оптимальных алгоритмов обработки информации

3.1 Комплексирование датчиков навигационной информации без использования модели беспилотного летательного аппарата

3.1.1 Преодоление априорной неопределенности

3.1.2 Комплексирование измерителей путевой скорости и воздушной скорости

3.1.3 Комплексирование измерителей высоты

3.1.4 Комплексирование измерителей угла пути и магнитного курса

3.2 Построение оптимальной навигационной системы с использованием модели беспилотного летательного аппарата

3.2.1 Разделение синтезируемой навигационной системы на продольный и боковой каналы

3.2.2 Синтез алгоритма функционирования продольного канала

3.2.3 Синтез алгоритма функционирования бокового канала

3.2.4 Синтез оптимальной системы оценивания горизонтальных координат

3.2.5 Вариант построения оптимальной навигационной системы Выводы

4 Экспериментальный раздел

4.1 Дискретная форма алгоритмов оптимальной фильтрации

4.1.1 Преобразование алгоритмов оптимальной фильтрации в дискретную форму

4.1.2 Алгоритм оптимальной фильтрации параметров продольного канала (дискретная форма)

4.1.3 Алгоритм оптимальной фильтрации параметров бокового канала (дискретная форма)

4.1.4 Алгоритм функционирования оптимальной навигационной системы (дискретная форма)

4.2 Реализация алгоритма работы навигационной системы средствами бортового вычислителя навигационных параметров

4.2.1 Устройство и работа бортового вычислителя

4.2.2 Разработка управляющей программы

4.3 Стенд для отработки программного обеспечения навигационно-пилотажной системы беспилотного летательного аппарата

4.3.1 Назначение

4.3.2 Перечень оборудования рабочего места

4.3.3 Устройство и работа стенда Выводы

Актуальность проблемы

В настоящее время наблюдается интерес к использованию малоразмерных беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) при решении задач видовой разведки и патрулирования в геологии, геодезии, картографии, лесном и сельском хозяйстве, охране границ и т.п. Представляют интерес БПЛА, выполненные по самолетной схеме, со стартовой массой до 50 кг как наиболее дешевые и удобные в эксплуатации [1]. Для них не требуется специальных аэродромов. Запуск осуществляется с транспортного средства при помощи катапульты, а посадка на парашюте.

Системы управления БПЛА строятся на основе сочетания принципов программного и дистанционного управления и представляют собой комплекс наземного и бортового оборудования. Неотъемлемой частью системы управления является навигационная система БПЛА, представляющая собой сложный измерительно-информационный комплекс, предназначенный для снабжения системы управления данными, необходимыми для движения аппарата по заданному маршруту. Навигационная система (НС) включает в себя измерительные устройства (датчики) и вычислительную систему, используемую для обработки поступающей от измерителей информации и выдачи ее в канал управления. Навигационная информация должна удовлетворять предъявляемым к ней требованиям по точности и надежности. Как правило, любой датчик, взятый в отдельности, указанным требованиям не удовлетворяет, поэтому возникает необходимость в установке на борту нескольких навигационных датчиков, объединяемых вычислителем навигационных параметров в единую навигационную систему.

В настоящее время для управления БПЛА созданы навигационные системы. Однако, абсолютному большинству НС присущ ряд недостатков, ограничивающих их использование. Это сложность конструкции, а следовательно, низкая надежность, большие габариты, вес, потребляемая мощность. Другие НС, лишенные этих недостатков, обладают высокой стоимостью. Поэтому особое внимание обращается на разработку дешевой НС, в то же время обладающей приемлемыми характеристиками, способными удовлетворить требования по точности, массо-габаритные требования. В связи с этим работа по исследованию системы навигации для малоразмерного БПЛА является актуальной.

Цель работы и задачи исследования

Целью работы является создание и исследование новых, достаточно простых и надежных, недорогих НС и отдельных компонент НС, являющихся составной частью пилотажно-навигационного комплекса БПЛА. В связи с поставленной целью в работе исследованы следующие вопросы:

- проведен сравнительный анализ существующих технических решений;

- рассмотрены принципы построения НС и отдельных элементов НС;

- исследованы статистические характеристики датчиков навигационной информации, являющихся составными элементами разрабатываемой НС;

- проведена оптимизация существующих математических моделей БПЛА с целью внедрения оптимальной модели БПЛА в алгоритм работы НС;

- разработаны новые схемы комплексирования датчиков навигационной информации;

- исследованы статистические характеристики новых схем комплексирования в различных условиях полета БПЛА;

- разработан бортовой вычислитель навигационных параметров (БВНП), реализующий новые схемы комплексирования датчиков;

- выполнены экспериментальные исследования с помощью методов полунатурного моделирования и определены области практического применения БВНП.

Методы исследования

НС предназначена для определения навигационных параметров (координат положения БПЛА, его скоростей и т.д.), которые представляют собой реализации случайных процессов. Кроме того, входные сигналы (измерения датчиков) всегда наблюдаются на фоне помех. Поэтому статистические методы анализа и синтеза, которые основаны на вероятностной трактовке процессов, протекающих в НС, описания навигационных параметров, сигналов и помех на основе понятия пространства состояний являются наиболее оптимальными методами для построения и исследования НС. Применение статистических методов исследования систем дает возможность более глубоко и полно анализировать их функционирование в реальных условиях.

В данной работе для синтеза и исследования НС используются методы марковской теории оптимального нелинейного оценивания, разработанной Р.Л.Стратановичем.

Марковская теория оптимального нелинейного оценивания дает возможность решать задачи синтеза многомерных стационарных и нестационарных, линейных и нелинейных систем в дискретном и непрерывном вариантах. Марковская теория оптимального нелинейного оценивания, естественно, охватывает как частный случай оптимальную линейную фильтрацию Калмана-Бьюси.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

- предложены и теоретически исследованы различные варианты НС и отдельных компонент НС, включая варианты с использованием линейной модели БПЛА;

- получены зависимости статистических характеристик различных компонент НС от времени, среднеквадратических ошибок измерений, параметров корреляции ошибок измерений;

- разработана математическая модель движения БПЛА, учитывающая влияние возмущающих факторов, отличная от общепринятой;

- исследованы статистические характеристики ошибок спутниковой навигационной системы (СНС), а также построены и экспериментально подтверждены математические модели ошибок СНС.

Основные положения, выносимые на защиту:

- схемы построения НС, обеспечивающие улучшение точностных характеристик в случае использования недорогих датчиков навигационной информации, имеющих среднюю точность измерений;

- математическая модель движения БПЛА с введёнными в вектор состояния параметрами, характеризующими возмущающие факторы движения БПЛА;

- статистический анализ результатов данных ошибок измерений СНС;

- полунатурный моделирующий стенд, предназначенный для отладки программного обеспечения пилотажно-навигационного комплекса.

Практическая ценность диссертационной работы заключается в следующем:

- предложена новая схема построения НС, позволяющая оценивать все параметры, необходимые для качественного управления БПЛА;

- разработана структурная схема БВНП ;

- разработаны алгоритм работы НС, а также программное обеспечение, реализующее этот алгоритм;

- построен комплексный моделирующий стенд для отработки программного обеспечения БВНП в режиме реального времени;

- определены области практического применения разработанной НС и даны рекомендации по дальнейшей оптимизации устройства.

Результаты работы внедрены на головном предприятии по малоразмерным БПЛА ФГУП «КБ «Луч», г. Рыбинск.

Апробация работы

Основные результаты работы были вынесены на обсуждение и одобрены на следующих конференциях:

- I Всероссийская научно-техническая конференция «Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве» - Н. Новгород, 1999.

- XXVI конференция молодых ученых и студентов - Рыбинск, 1999.

- Всероссийская научно-техническая конференция «Аэрокосмические технологии и образование на рубеже веков» - Рыбинск, 2002.

Публикации

По результатам выполненных исследований опубликовано пять печатных работ, посвященных математическим моделям малоразмерного летательного аппарата, идентификации их параметров, построению пилотажно-навигационных систем, исследованию систем обработки информации, построению моделирующих стендов.

Структура и объём диссертации

Работа состоит из введения, четырех основных разделов, заключения, списка литературы и приложений. Диссертация изложена на 185 листах, из них 152 страницы основного текста, 32 страницы занимают приложения, 6 страниц - список литературы из 65 работ. Работа содержит 50 рисунков и 4 таблицы.

Выводы

1. Использование разработанного бортового вычислителя навигационных параметров в составе бортовой аппаратуры БПЛА позволяет выполнить реализацию оптимальных алгоритмов оценивания параметров движения БПЛА, синтезированных в разделе 3.

2. Использование полунатурного моделирующего стенда позволяет проверить работоспособность программного обеспечения навигационно-пилотажной системы.

3. Разработанный бортовой вычислитель навигационных параметров использует лишь часть алгоритмов, синтезированных в разделе 3. Целесообразна дальнейшая доработка, исследование неиспользованных алгоритмов и их реализация на основе бортового вычислителя.

Заключение

В результате проведенных исследований разработаны научные основы построения навигационных систем, использующих недорогие датчики средней точности. Увеличение точности вычисления навигационных параметров достигнуто комплексной обработкой информации с датчиков, размещенных на летательном аппарате, и информации, получаемой со спутниковой навигационной системы. Включение в структуру вычислителя навигационных параметров математической модели БПЛА с расширенным вектором состояния позволяет наблюдать не только навигационные параметры, но и целый ряд параметров ориентации летательного аппарата. Использование в комплексной обработке информации реальных моделей ошибок датчиков, полученных в результате экспериментальных исследований, увеличивает достоверность принятых решений.

На основании теоретических исследований построена структура навигационной системы, обеспечивающая высокую точность вычисления навигационных параметров, что подтверждается экспериментальными исследованиями, выполненными на полунатурном стенде, включающем в себя вычислительный комплекс и опытный образец пилотажно-навигационной системы.

По результатам выполненных теоретических исследований и проведенных экспериментов можно сделать обобщенные выводы:

- для более полного и точного описания навигационной системы в ее структуру необходимо ввести математическую модель беспилотного летательного аппарата с расширенным вектором состояния, учитывающим траекторные углы атаки, скольжения и крена, а также вектор скорости ветра;

- навигационная система малоразмерного беспилотного летательного аппарата должна иметь комплексную структуру, состоящую из автономной и неавтономной частей, для снижения массогабаритных характеристик и стоимости навигационную систему целесообразно комплектовать датчиками средней точности, а для компенсации ошибок применять комплексирование со спутниковой навигационной системой при совместной обработке и фильтрации оптимальными цифровыми фильтрами;

- при синтезе алгоритмов навигационной системы необходимо применять методы марковской теории оптимальной нелинейной фильтрации, позволяющие оценивать параметры на фоне как белых, так и окрашенных шумов;

- комплексирование измерений датчиков автономной навигационной системы со спутниковой навигационной системой позволяет наблюдать с приемлемой точностью систематические составляющие ошибок датчиков без использования математической модели беспилотного летательного аппарата, в случае же ее использования возможна оценка навигационных параметров летательного аппарата даже при отсутствии спутниковой навигационной системы;

- испытания опытного образца бортовой навигационной системы показали правильность выбранного направления исследований по созданию малогабаритного и недорогого бортового вычислителя навигационных параметров беспилотного летательного аппарата с высокими оценочными характеристиками.

Результаты диссертационной работы по созданию бортовой навигационной системы для управления малоразмерным беспилотным летательным аппаратом внедрены в ФГУП «КБ «Луч» путем их использования при разработке навигационно-пилотажной системы для малоразмерного беспилотного летательного аппарата специального назначения.

1. Комплексы с беспилотными летательными аппаратами/ТКраткий аналитический обзор состояния и перспектив развития за рубежом и в Российской Федерации. Рыбинск, 2001. - 45 с.

2. Сейдж Э.П., Мелса Дж.П. Теория оценивания и ее применение в связи и управлении: Пер.с англ./Под ред. Б.Р.Левина. М.:Радио и связь, 1976.-356 с.

3. Сейдж Э.П., Уайт Ч.С. Оптимальное управление системами: Пер.с англ./Под ред. Б.Р.Левина. М.: Радио и связь, 1982. - 392 с.

4. Буков В.Н. Адаптивные прогнозирующие системы управления полетом. М.: Наука, 1987. -232 с.

5. Системы адаптивного управления летательного аппарата / А.С. Новоселов, В.Е. Болнокин, П.И. Чинаев, А.Н. Юрьев. М.: Машиностроение, 1987.-280 с.

6. Бабич О.А. Обработка информации в навигационных комплексах. -М.: Машиностроение, 1991. -512 с.

7. Ривкин С.С. Метод оптимальной фильтрации Калмана и его применение в инерциальных навигационных системах. Л.: Судостроение, 4.1, 1974.- 219 с.

8. Помыкаев И.И., Селезнев В.П., Дмитриченко Л.А. Навигационные приборы и системы: Учебное пособие для вузов. Под ред. И.И.Помыкаева. -М.: Машиностроение, 1983. 456 е., ил.

9. Кузовков Н.Г., Салычев О.С. Инерционная навигация и оптимальная фильтрация. М.: Машиностроение, 1982. - 216 е., ил.

10. Дудко Г.А., Резников Г.Б. Доплеровские измерители скорости и угла сноса. М.: Сов. Радио, 1964. - 344 с.

11. Зингер Р.А. Оценка характеристик оптимального фильтра для слежения за пилотируемой целью //Зарубежная радиоэлектроника. 1971. -№8.-с. 41-47.

12. Соловьёв Ю.А. Системы спутниковой навигации. -М.: Эко-Трендз, 2000. 270 с.

13. Болдин В.А., Зубинский В.И., Зурабов Ю.Г. и др. Глобальная спутниковая радионавигационная система ГЛОНАСС. М.:ИПРЖР, 1999. -560 с.

14. Ю.П.Иванов, А.Н.Синяков, И.В.Филатов Комплексирование информационно-измерительных устройств летательных аппаратов: Учебное пособие для вузов. Л.: Машиностроение, 1984. - 207 е., ил.

15. Березин Д.Р. Навигация малоразмерных летательных аппаратов// XXVI конференция молодых ученых и студентов: Тезисы докладов в 2-х ч. - Рыбинск (РГАТА), 1999. - 4.1. - с.55

16. Комбинированное исследование систем ГЛОНАСС и GPS на основе адаптивного навигационного алгоритма /Аверин С.В., Виноградов А.А., Иванов Н.Е., Солнцев В.А.//Радиотехника. 1998. - №9.

17. Ярлыков Н.С., Кудинов А.Т. Помехоустойчивость субоптимальных приемников со структурно раздельной первичной обработкой сигналов спутниковых радионавигационных систем//Радиотехника. 1999.- № 10.

18. Ван Дайк К. Использование спутниковых радионавигационных систем GPS и Глонасс для обеспечения требуемого уровня характеристик глобальной навигационной спутниковой системы //Радиотехника. 1996. -№ 1.

19. Ярлыков Н.С., Кудинов А.Т. Повышение качества функционирования спутниковых радионавигационных систем за счет использования информационной избыточности//Радиотехника 1998. -№ 2.

20. Ярлыков Н.С., Кудинов А.Т. Анализ субоптимальных алгоритмов обработки сигналов интегрированной аппаратуры потребителей спутниковых радионавигационных систем ГЛОНАСС и GPS// Радиотехника 1998 - № 10.

21. Ярлыков Н.С. Навигационное обеспечение абонентов систем мобильной связи на основе спутниковых радионавигационных систем// Зарубежная радиоэлектроника. 2001. - № 9, с. 3-10.

22. Бобнев М. П., Кривицкий Б.Х., Ярлыков М.С. Комплексные системы радиоавтоматики. М.: Сов. Радио, 1968. - 232 с.

23. Вальд А. Статистические решающие функции. Пер.с англ./Под ред. Н.Н.Воробьева, И.Н.Врублевской. -М.: Наука, 1967. -222 с.

24. Стратанович Р.Л. Условные марковские процессы и их применение к теории оптимального управления. М.:МГУ, 1966. - 319с.

25. Стратанович Р.Л. К теории оптимальной нелинейной фильтрации случайных функций// Теория вероятностей и ее применение. 1959. -Вып.2. - Т.4.

26. Стратанович Р.Л. Применение теории процессов Маркова для оптимальной фильтрации сигналов. Радиотехника и электроника, 1960. -№11.

27. Стратанович Р.Л. Избранные вопросы теории флуктуаций в радиотехнике. -М.: Сов.радио, 1961. 558 с.

28. Тихонов В.И., Миронов Н.А. Марковские процессы. М.: Сов.радио, 1977.-487с.

29. Ярлыков Н.С., Миронов Н.А. Марковская теория оценивания случайных процессов. М.: Радио и связь, 1993. - 437 с.

30. Kalman R.E. A new approach to linear filtering and prediction problem. Trans/ASME, J.Basic Engineering, 1960. - v/82D. - p. 34-35.

31. Kalman R.E., Bucy R.S. New results in linear filtering and prediction theory. Trans.ASME, J.Basic Engineering, 1961. - v/83D. - p. 95-108.

32. Миронов М.А. Устранение полимодальности апостериорного распределения за счет использования информационной избыточности. -Радиотехника и электроника, 1983.- т.28. с.1577-1585.

33. Ярлыков Н.С., Миронов М.А. Оптимальное комплексирование измерителей при частично окрашенных шумах наблюдений. Радиотехника и электроника, 1982. - № 10. - с. 1949-1956.

34. Ярлыков Н.С. Статистическая теория радионавигации. М.: Радио и связь, 1985. - 344 е., ил.

35. Ван Трис Г. Теория обнаружения оценок и модуляции: Пер. с англ./Под ред. В.И.Тихонова, Т.1. М.: Сов. Радио, 1972. - 744 с.

36. Миронов Н.А. Условия применимости метода гауссовской аппроксимации в марковской теории оптимальной нелинейной фильтрации. Радиотехника и электроника, 1981. - № 6. - с. 1186-1197.

37. Белоцерковский С.Н. Введение в аэроавтоупругость. М.: Наука, 1980.- 383 с.

38. ГОСТ 20058-80. Динамика летательных аппаратов в атмосфере. Термины, определения и обозначения.

39. Фильчаков П.Ф. Справочник по высшей математике. Киев: Наукова Думка, 1972.-744 с.

40. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Механика, Т.1. М.:серия «Теоретическая физика», 1973. - 208 е., ил.

41. Ланкастер П. Теория матриц: Пер. с англ. М.: Наука, 1978. - 280 с.

42. Гуськов Ю.П., Загайнов Г.И. Управление полётом самолёта. М.: Машиностроение, 1980. -456 с.

43. Молоканов Г.Ф. Точность и надёжность навигации летательных аппаратов М.: Машиностроение, 1967. - 215 с.

44. ОСТ 1 02514-84. Модель турбулентности атмосферы. Характеристики.

45. Попов Е. П. Теория линейных систем автоматического регулирования и управления. М.: Наука, 1978. - 256 с.

46. Бесекерский В.А., Попов Е. П. Теория систем автоматического регулирования. М.: Наука. - 1975.

47. Крамер Г. Математические методы статистики: Пер. с англ. М.: Мир, 1975.-568 с.

48. Бендат Дж., Пирсон А. Измерение и анализ случайных процессов: Пер. с англ. М.: Мир, 1974. - 464 с.

49. Браславский Д.А., Петров В.В. Точность измерительных устройств. М.: Машиностроение, 1976. - 312 с.

50. Браславский Д.А. Приборы и датчики летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1970. - 392 с.

51. Вентцель Е.С. Теория вероятностей: Учебное пособие для вузов. -6-е изд., стер. М.: Высш. шк., 1999. - 576 е.: ил.

52. Михлин Б.З., Селезнев В.П. Геомагнитная навигация. М.: Машиностроение, 1967. 379 с.

53. Боднер В.А. Приборы первичной информации. М.: Машиностроение, 1981. - 344 с.

54. Тихонов В.И. Статистическая радиотехника. М.: Радио и связь, 1982. - 624 с.

55. Ильинский А.Ю. Ориентация, гироскопы и инерциальная навигация. М.: Наука, 1976. - 670 с.

56. Тихонов В.И., Смирнов В.А. Оптимальная фильтрация дискретно-непрерывных процессов. Радиотехника и электроника, 1978. - № 7. -с. 1441-1452.

57. Миронов Н.А., Смирнов В.А., Харисов В.Н. Оптимальная фильтрация квантованных по времени непрерывных процессов. -Радиотехника и электроника, 1980. № 11. - с. 234.

58. Березин Д.Р. Идентификация параметров БПЛА в условиях летных испытаний // Сборник трудов молодых ученых. Рыбинск: РГАТА, 2001. -232 с.

59. Страуструп Б. Язык программирования С++, 3 изд./ Пер. с англ. -СПб: Питер, 1999. -991 е., ил.

60. Лебедев А.Н., Березин Д.Р. Моделирование погрешностей спутниковой радионавигационной системы с помощью цифровых фильтров/ Вестник Рыбинской авиационной технологической академии им. П.А. Соловьёва. Рыбинск, 2002. - № 2(2).