автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.03, диссертация на тему:Структура, алгоритмы работы и характеристики бесплатформенного гравиинерциального навигационного комплекса морского объекта

004616167

На правах рукописи

Судаков Андрей Сергеевич

СТРУКТУРА, АЛГОРИТМЫ РАБОТЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ

БЕСПЛАТФОРМЕННОГО ГРАВИИНЕРЦИАЛЬНОГО НАВИГАЦИОННОГО КОМПЛЕКСА МОРСКОГО ОБЪЕКТА

Специальность 05.11.03 «Приборы навигации»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА-2010

"2 ДЕК 2010

004616167

Работа выполнена на кафедре «Автоматизированные комплексы систем ориентации и навигации» Московского авиационного института (государственного технического университета) «МАИ».

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

кандидат технических наук, Афонин Александр Анатольевич

доктор технических наук, профессор Чарышев Шамиль Фаттахович; доктор технических наук, профессор Зайцев Александр Владимирович

Ведущая организация:

Федеральное государственное унитарное предприятие «Государственный научно-исследовательский институт приборостроения»

Защита состоится «22» декабря 2010 года в 1400 на заседании диссертационного совета Д 212.125.11 при Московском авиационном институте (государственном техническом университете) «МАИ» по адресу: 125993, А-80, ГСП-3, Москва, Волоколамское ш., 4, зал заседаний Ученого Совета МАИ.

\А

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАИ. Автореферат разослан « /3» J ¿yoJ? 2010 года.

Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н., доцент *//" Горбачев Ю.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время по-прежнему важной является проблема исследования гравитационного поля Земли, в особенности в ее удаленных и труднодоступных регионах, связанная с необходимостью получения больших объемов высокоточных, детальных, оперативных и относительно недорогих гравиметрических измерений в целях решения ряда задач геодезии, геофизики и навигации. При этом особую значимость представляет задача морской гравиразведки, являющаяся важным этапом поиска залежей полезных ископаемых в Мировом океане, включая природные энергоносители шельфовых зон, в особенности, углеводородные соединения, потребность в добыче которых, а, следовательно, разведке новых и доразведке старых месторождений, как отмечено в Энергетической стратегии России, будет только увеличиваться. В настоящее время эта задача в основном решается с помощью мобильных гравиметрических комплексов, базовыми чувствительными элементами которых, как правило, являются одноосные гравиметрические датчики статического или, реже, струнного типа, расположенные на гироста-билизированных платформах, поддерживающих их оси чувствительности в направлении вертикали места, обеспечивающих высокую точность измерения даже в условиях подвижного основания, сочетающуюся с большими массога-баритными характеристиками устройства, значительным энергопотреблением, чрезвычайно большой стоимостью. При этом носителями подобных комплексов обычно являются грузовые автомобили вездеходного типа, самолеты и вертолеты среднего класса, среднетоннажные суда, которым, как правило, присущи недостаточные маневренность и оперативность, ограничены их возможности при проведении детализированной гравиметрической съемки с высокой плотностью, в особенности, в районах затрудненной доступности из-за ограниченной проходимости сухопутного носителя, удаленности от аэродромов - для воздушного, а также в акваториях ограниченного судоходства (мели, ледовые и скалисто-рифовые области и др.). Кроме того, в особенности, для воздушных носителей сохраняется потенциальная опасность как для экипажа исследователей, так и людей и материальных ценностей, находящихся на исследуемых территориях, а также окружающей среды. При этом стоимость гравиметрической съемки, в особенности воздушной и морской, оказывается чрезвычайно большой, в первую очередь, определяемой стоимостью эксплуатации носителя с экипажем. Также стоит отметить, что известные автору мобильные гравиметрические комплексы не решают актуальной задачи нахождения уклонений отвесной линии.

Таким образом, актуальной является проблема создания малогабаритных, относительно недорогих информационно-измерительных систем и комплексов, предназначенных для осуществления высокоточных, высокопроизводительных измерений параметров гравитационного поля Земли на

подвижном основании, а также прецизионного решения задач определения параметров ориентации и навигации. Создание такого комплекса позволило бы осуществлять проведение гравиметрической съемки с борта малоразмерного носителя, включая автоматические необитаемые подводные аппараты, с повышенной производительностью, детальностью и оперативностью при значительном снижении материальных затрат и рисков.

В этой связи, в частности, научным коллективом кафедры «Автоматизированные комплексы систем ориентации и навигации» МАИ была предложена концепция векторных гравиметрических измерений (ВГИ) на борту малоразмерного подводного аппарата (МПА) посредством бесплатформенного гравиинерциального навигационного комплекса (БГНК). В рамках проведенных работ были предложены обобщенные структура, состав и общие алгоритмы БГНК, получены предварительные результаты, показывающие потенциальную возможность проведения ВГИ в бесплатформенных технологиях с точностью порядка десятых долей мГал в определении модуля ускорения силы тяжести (УСТ), что соответствует требованиям к современной морской гравиметрии, а также единиц угл. с в определении уклонений отвесной линии. Не освященными оставались вопросы детальной проработки алгоритмической части комплекса, создания уточненных функциональных алгоритмов работы БГНК и его моделей ошибок, разработки имитационных моделей работы БГНК, проведения имитационных и экспериментальных исследований комплекса с целью подтверждения теоретических предположений о возможности проведения высокоточных бесплатформенных гравиметрических измерений.

Итак, целью диссертационной работы является разработка частного варианта структуры БГНК МПА, включающей бесплатформенную инерци-альную навигационную систему (БИНС) и приемник спутниковой навигационной системы (СНС), его алгоритмов работы и исследование его возможностей при решении задач ВГИ с точностью десятых долей мГал в определении модуля УСТ и единиц угл. с в определении уклонений отвесной линии.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие

задачи:

1) анализ особенностей построения современных гравиинерциальных комплексов подвижных объектов, обоснование актуальности и перспективности создания БГНК для решения задач ВГИ, разработка принципов построения, выбор его рациональных структуры и состава;

2) разработка функциональных алгоритмов определения параметров ориентации, навигации, векторной гравиметрии, оценивания параметров и коррекции БГНК, а также вспомогательных алгоритмов обработки его информации;

3) разработка математических моделей ошибок БГНК, включая линейную модель ошибок определения параметров ориентации и навигации и

нелинейную модель ошибок определения параметров гравитационного поля Земли, их исследование аналитическими методами и методами имитационного моделирования;

4) разработка и исследование имитационных моделей БГНК с целью определения его основных точностных характеристик в различных условиях работы;

5) макетирование, полунатурное моделирование и экспериментальное исследование БГНК в условиях неподвижного нестабилизированного основания;

6) анализ результатов теоретических и практических исследований, подтверждающий возможность и перспективность построения БГНК с высокими точностными характеристиками в определении параметров ориентации, навигации и гравиметрии с точностью до десятых долей мГал в определении модуля УСТ и единиц угл. с в определении уклонений отвесной линии.

Объектом исследования является БГНК, предметом - его структура, алгоритмы работы и характеристики.

Методы исследований. Для решения поставленных задач использовались аналитические методы высшей математики, численные методы решения систем дифференциальных уравнений, методы теории случайных процессов и оптимального оценивания, машинные методы имитационного и полунатурного моделирования, экспериментальные методы исследований.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1) предложен усовершенствованный функциональный алгоритм определения параметров вектора УСТ для реализации ВГИ в бесплатформенных технологиях;

2) разработан новый алгоритм оптимального оценивания параметров БГНК с вектором состояния, расширенным элементами, характеризующими ошибки определения проекций вектора аномалии УСТ, для высокоточного определения параметров аномального гравитационного поля, ориентации и навигации;

3) разработана новая модифицированная процедура коррекции параметров ориентации Родрига-Гамильтона посредством использования корректирующих членов, соответствующих элементам вектора малого поворота, характеризующего уход вычисленной системы координат, обеспечивающая возможность построения замкнутой схемы включения оптимального фильтра Калмана;

4) предложена уточненная нелинейная модель погрешностей гравиметрического канала БГНК, учитывающая влияние членов второго и больших порядков малости, обеспечивающая возможность наиболее детального исследования его точностных характеристик;

5) разработана новая неитерационная процедура аналитического преобразования геоцентрических координат в географические с потребным уровнем точности для применения в алгоритме БГНК.

Достоверность полученных в диссертационной работе результатов подтверждается: апробацией материалов диссертации; высокой степенью повторяемости результатов при проведении серии опытов в ходе имитационных, полунатурных и экспериментальных исследований моделей и макета БГНК; высокой степенью соответствия результатов аналитических, имитационных и экспериментальных исследований.

Практическая значимость работы.

1) разработаны методики и программное обеспечение для имитационного моделирования БГНК, позволяющие проводить его исследования как на основании полных моделей, так и моделей погрешностей комплекса;

2) разработаны и созданы макет, экспериментальная установка, методики и программное обеспечение для полунатурного моделирования и экспериментального исследования БГНК;

3) предложены рекомендации и показаны возможности уменьшения погрешностей оценивания БГНК параметров аномального гравитационного поля в движении с использованием методов цифровой фильтрации;

4) проведен анализ результатов имитационного и полунатурного моделирования БГНК, а также экспериментальных исследований его макета, теоретически и практически подтвердивший возможность достижения БГНК морского подвижного объекта высоких точностных характеристик по определению параметров навигации (до единиц см и до тысячных долей м/с), ориентации (крена, дифферента - до единиц угл. с, курса - до единиц угл. мин) и гравиметрии (до десятых долей мГал в определении модуля УСТ и единиц угл. с в определении уклонений отвесной линии) с использованием позиционной и скоростной корректирующей информации.

Положения, выносимые на защиту:

1) схема построения, рациональный состав и структура БГНК, обеспечивающего решение задач определения параметров ориентации, навигации и вектора УСТ на подвижном основании;

2) функциональные алгоритмы определения параметров ориентации, навигации, векторной гравиметрии, оценивания параметров и коррекции БГНК, а также вспомогательные алгоритмы обработки его информации;

3) линейная модель ошибок определения параметров ориентации и навигации и нелинейная модель ошибок определения параметров гравитационного поля Земли, результаты их анализа;

4) полученные результаты имитационного и полунатурного моделирования БГНК, а также экспериментальных исследований его макета, теоретически и практически подтверждающие возможность достижения его ожи-

даемых точностных характеристик.

Реализация результатов исследования.

Полученные в работе результаты использованы в ООО «МГУ-СТАНДАРТ» в рамках технопарка МГУ (г. Москва) в НИР «Разработка универсального векторного гравиметра для работы как на неподвижном, так и на подвижном основании» в части разработки алгоритмов работы гравиметрического измерителя на неподвижном основании; в ООО «ЦТТ» СГАУ (г. Самара) в НИР «Инновационные разработки и исследования в авиации, космонавтике, приборостроении, микроэлектронике и биотехнике» в части разработки алгоритмов работы гравиметрического комплекса морского объекта; в ЗАО «ПРИН» (г. Москва) в НИР «Разработка и исследование новой бесплатформенной технологии построения прецизионных векторных помехозащищен-ных гравиметрических датчиков (ВПГД) для геофизического мониторинга» в части выбора состава, разработки структуры и алгоритмов бесплатформенного гравиметрического комплекса для геофизических исследований; в учебном процессе кафедры «Автоматизированные комплексы систем ориентации и навигации» МАИ в рамках курсов «Проектирование приборных систем», «Специальные микропроцессоры и приборы в системах ориентации, стабилизации и навигации», в курсовом и дипломном проектировании.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались: на 5-й, 6-й, 7-й, 8-й Международных конференциях «Авиация и космонавтика», Москва, 2006-2009 гг.; на IX и X конференциях молодых ученых «Навигация и управление движением», Санкт-Петербург, 2007-2008 гг.; на XV и XVI Международных конференциях по вычислительной механике и современным прикладным программным системам, Алушта, 2007 г., 2009 г.; на XXXIV, XXXV, XXXVI Всероссийских конференциях по управлению движением кораблей и специальных аппаратов, Туапсе, 2007 г., Адлер, 2008 г., Северодвинск, 2009 г.; на XVI, XVII, XVIII, XIX Международных научно-технических семинарах «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработке информации», Алушта, 2007-2010 гг.; на Всероссийской молодежной научной конференции с международным участием «IX Королевские чтения», Самара, 2007 г., по итогам которой автор был награжден дипломом за лучший доклад, представленный на конференцию; на 1-й и 2-й Всероссийских конференциях ученых, молодых специалистов и студентов «Информационные технологии в авиационной и космической технике», Москва, 2008-2009 гг.

Публикации. Основные результаты по теме диссертационной работы опубликованы в 25 печатных работах, из которых 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК.

Личный вклад автора. В работах [1,2,4,5,8,10,15] автором предложена нелинейная модель ошибок гравиметрического канала БГНК, представ-

лены результаты его теоретического исследования и имитационного моделирования, предложена процедура преобразования геоцентрических координат в географические; в работах [3,6,7,9,14,22] предложены варианты схем построения БГНК различного применения, алгоритмы их работы и представлены основные результаты их исследований; в работах [11,12,13,19,20,23,24] изложены принципы создания имитационных и полунатурных моделей БГНК и представлены основные результаты их исследований; в работах [16,17,18,21,25] рассмотрены вопросы комплексирования БИНС и корректирующих систем, представлен анализ его результатов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы. Основная часть диссертации содержит 168 страниц машинописного текста, 53 рисунка, 7 таблиц, список литературы включает 85 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи диссертации, определена научная новизна и практическая значимость полученных результатов, выдвинуты положения, выносимые на защиту, приведены сведения об апробации, внедрении и публикациях, представлена структура диссертационной работы.

В первой главе проведен аналитический обзор современных подходов к построению гравиинерциальных комплексов подвижных объектов. Выявлены и продемонстрированы достоинства и недостатки традиционных технологий. Рассмотрен вариант использования БГНК на борту МПА для проведения ВГИ, проанализированы возможности высокоточной навигации МПА и координатной привязки соответствующих гравиметрических измерений.

Также обоснован выбор состава БГНК, рассмотрены его базовые узлы, такие как инерциальный измерительный блок в составе блока гироскопов (БГ) и блока датчиков линейных ускорений (акселерометров) (БА); корректирующие системы, включая аппаратуру потребителя СНС; вычислительный комплекс. Представлена структура комплекса, осуществляющего обработку сигналов датчиков первичной информации в каналах вычисления параметров ориентации и навигации, коррекции и гравиметрии, фиксацию и хранение их информации для последующей обработки, вычисление параметров движения МПА.

Представлены реализованные в Земной экваториальной системе координат (ЭСК) алгоритмы автономной работы каналов вычисления параметров ориентации и навигации БГНК, его гравиметрического канала, представляющего собой функциональный алгоритм определения проекций вектора аномалии УСТ. Отмечены преимущества их реализации в ЭСК по сравнению с традиционным их представлением в географической системе координат (ГСК), а именно: меньшая разрядность системы дифференциальных уравне-

ний; повышенная методическая точность вычисления матрицы ориентации для перевода показаний БА в необходимую систему координат, так как точность вычислений не зависит от погрешностей вычисления переносной скорости ГСК, а, следовательно, от навигационных погрешностей; повышенная методическая точность решения основного уравнения инерциальной навигации, поскольку в процессе его решения не используется информация об аппроксимации формы Земли. Предложена неитерационная процедура преобразования геоцентрических координат (модуля геоцентрического радиус-вектора и геоцентрической широты) в географические (географическую широту и высоту над референц-эллипсоидом) с точностями 3,3'10~7-3,3'1(Г5 угл. с и 0,01-1мм соответственно в зависимости от широты и глубины местоположения МПА. Приведены конечные соотношения для вычисления курса, дифферента, крена, долготы, восточной, северной и вертикальной проекций относительной скорости, путевого угла.

Разработаны алгоритмы оценивания параметров и коррекции БГНК с использованием разомкнутой и замкнутой схем включения оптимального фильтра Калмана (ОФК) для случая коррекции БГНК посредством СНС, а при недостаточной точности определения высоты (глубины) с учетом информации о положении МПА на уровне морской поверхности. Особенностью алгоритма является включение в вектор состояния параметров, характеризующих ошибки определения проекций вектора аномалии УСТ, представленные в виде постоянной величины, полиномов, стационарного случайного процесса первого порядка, их комбинаций. Исследован случай, когда в БГНК известно только нормализованное значение УСТ, тогда погрешности определения проекций аномалии равны проекциям аномалии, взятым с противоположным знаком, следовательно, для описания ошибок проекций аномалии УСТ справедливо воспользоваться моделями, соответствующими самим проекциям аномалии УСТ. При этом соответствующие ошибки будут оцениваться БГНК как составляющие погрешности его относительного ускорения.

Кроме того, представлена замкнутая схема включения ОФК в систему посредством ввода корректирующих членов в виде строк Кг (К - матрица коэффициентов усиления фильтра, г - вектор измерений), соответствующих каждому из элементов вектора состояния системы. При этом предложена модифицированная процедура коррекции параметров ориентации Родрига-Гамильтона посредством использования корректирующих членов, соответствующих элементам вектора малого поворота, характеризующего уход вычисленной системы координат (ВСК) относительно базовой ЭСК.

Рассмотрен метод разделения полезной информации и высокочастотных помех при определении аномалии УСТ.

Во второй главе приведены разработанные линейная модель ошибок канала вычисления параметров ориентации и навигации и нелинейная модель

ошибок гравиметрического канала БГНК с высокой степенью точности описывающая реальное поведение соответствующих погрешностей.

Представлены результаты имитационного моделирования БГНК, полученные посредством анализа работы комплекта программных продуктов, выполненных в интеллектуальной компьютерной виртуальной среде \iathcad, построенного по представленной блок-схеме (рис. 1), позволяющего проводить исследования комплекса как на основании полных моделей, так и его моделей погрешностей.

Имитационное моделирование каналов вычисления параметров ориентации, навигации и гравиметрии БГНК продемонстрировало высокую степень соответствия результатов их прямого моделирования соответствующим моделям ошибок, подтвердив адекватность полученных моделей погрешностей БГНК и возможность их использования для анализа точностных характеристик каналов вычисления параметров ориентации, навигации и гравиметрии. Соответствующий проведенный анализ показал потенциальную возможность использования БГНК для осуществления ВГИ с точностью десятых долей мГал в определении модуля УСТ и единиц угл. с в определении уклонений отвесной линии.

Рисунок 1 - Блок-схема имитационного моделирования БГНК При имитационном моделировании рассматривались и анализировались различные способы описания проекций вектора аномального УСТ по траектории МПА (в виде постоянной величины, линейнонарастающей, гармонической функции, случайного процесса первого порядка, их комбинаций). Результаты моделирования комплекса в целом показали, что итоговые ошибки опре-

деления параметров БГНК для случая включения ОФК в алгоритм комплексной системы по замкнутой схеме практически равны оптимальным ошибкам оценивания погрешностей БГНК, полученным с использованием его модели погрешностей. При этом ошибки оценивания параметров БГНК в разомкнутой схеме имеют нарастающий характер по причине увеличивающегося со временем рассогласования между характером поведения ошибок БГНК и их модельным описанием, используемым в алгоритме ОФК (при этом на ограниченном интервале времени порядка 45 мин, ошибки разомкнутого ОФК с высокой точностью (до единиц %) соответствуют случаю замкнутого ОФК).

Для случая постоянного аномального гравитационного поля в результате моделирования установлено, что достижение точности определения вертикальной проекции аномалии на уровне 0,1 мГал обеспечивается, главным образом, при уменьшении систематических погрешностей Б А до Ю-6 м/с2 и погрешности определения высоты до 0,3 м, а точности определения уклонений отвесной линии на уровне 2 угл. с - уменьшением ухода ВСК до того же уровня. При этом современные достижения в области создания прецизионных акселерометров приближаются к указанному уровню, а добиться дециметровой точности определения высоты можно, например, на поверхности воды с помощью СНС в фазовом режиме или используя информацию о положении МПА на уровне морской поверхности; в толще воды - с применением высокоточных глубиномеров или навигационных гидроакустических систем, взаимодействующих с СНС. В свою очередь для уменьшения ухода ВСК БГНК до требуемого уровня, в первую очередь, необходимо осуществлять его высокоточную начальную выставку, например, используя информацию внешних прецизионных судовых систем ориентации и навигации.

В результате анализа имитационного моделирования работы БГНК при движении МПА в условиях переменного аномального гравитационного поля получены частотные характеристики алгоритма оценивания аномалии УСТ, характеризующие запаздывание и уменьшение амплитуды оценки аномалии в зависимости от частоты ее изменения и позволяющие учитывать их при определении аномалии. При этом показана возможность вычисления вертикальной проекции аномалии УСТ с точностью на уровне десятых долей мГал для случая движения в условиях переменного аномального гравитационного поля при нахождении МПА на поверхности воды с использованием сигналов СНС в фазовом режиме или дифференциальном - с учетом информации о положении МПА на уровне морской поверхности.

В третьей главе рассмотрены вопросы создания экспериментальной установки и макета БГНК, проведения его полунатурного моделирования и экспериментальных исследований в целях практического подтверждения результатов теоретических исследований и имитационного моделирования.

При создании макета БГНК использовались прецизионные маятнико-

вые акселерометры типа АК-6 разработки ОАО «МИЭА», трехосный измеритель угловой скорости ТИУС-500 разработки ООО НПК «Оптолинк», а также приемники СНС LEA-4S (u-blox AG, Швейцария) и NetR5 (Trimble, США). Было создано программно-алгоритмическое обеспечение, включающее программы для управления съемом, считывания, предварительной обработки и записи показаний датчиков макета БГНК, комплексной обработки собранных данных, анализа ее результатов. Комплексная обработка собранных с датчиков первичной информации данных выполнялась в специально разработанной программе, реализованной в среде Mathcad, блок-схема которой представлена на рис. 2.

Рисунок 2 - Блок-схема программы для практических исследований макета БГНК

Предложены методики калибровки БА, разработана математическая модель показаний акселерометров на неподвижном основании, предложена методика уменьшения влияния температурных и временных дрейфов нуля акселерометров на неподвижном основании.

Разработаны методики проведения полунатурного моделирования и экспериментальных исследований макета БГНК (рис. 3), включающие имитацию ступенчатого изменения величины аномалии УСТ посредством изменения величины кажущегося ускорения, измеряемого БА, математически или физически - путем изменения высоты положения БА при сохранении положения фазового центра антенн приемников СНС и БГ.

ПК

I Специализирован-"] ное программное I ) обеспечение прак-- - - -, • тических исследо- ,|А]Д11 ] ^-ч.

перестановка х / /

Г*-»

•!ба:г

Д#=1,5м

Рисунок 3 - Методика проведения экспериментальных исследований макета БГНК (АН- изменение высоты) Приведены результаты полунатурного моделирования и экспериментального исследования макета БГНК, подтверждающие на практике его ожидаемые точностные характеристики в определении вертикальной составляющей аномалии УСТ - на уровне десятых долей мГал и единиц угл. с - в определении уклонений отвесной линии. Также показано, что для неподвижного случая точность определения координат местоположения соответствует точности работы приемника СНС, достигнутые точности определения горизонтальных проекций относительной скорости - на уровне 0,002 м/с, вертикальной - 0,0005 м/с. Продемонстрирована высокая степень соответствия результатов практических исследований результатам теоретических и имитационных исследований БГНК. Наиболее значимым результатом является практическое подтверждение возможности определения комплексом аномалии УСТ с точностью порядка 0,1 - 0,2 мГал с использованием фазового режима СНС, и с точностью 0,2 - 0,3 мГал - дифференциального режима СНС в условиях неподвижного нестабилизированного основания (рис. 4).

а)

1,02x10 1x10' 9,8x10" 9,6*10" 1г> 9,4x10'

/с2

'^ 9,2x10 9x10" 8,8*10'

1 V ............V

щ ! _^

ч

!

17

\

1,02x10' 1x10' 9,8x10" 9,6x10' 9,4x10' 9,2x10" 9x10" . 8,8x10"

А, / \ п У ч .....

и С

5210 6140

/,с

б)

и с с

Рисунок 4 - Вычисленные значения ступенчатой аномалии УСТ (Л), полученные в рамках экспериментальных исследований, соответственно, для фазового

(а) и дифференциального (б) режимов работы СНС Вместе с тем показано, что результаты эксперимента для стационарного случая могут распространяться и на случай подвижного основания с равномерностью хода в горизонтальной плоскости не хуже 0,1 м/с2.

В заключении сформулированы научные и практические результаты исследования.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

На основе проведенных в диссертационной работе аналитических, имитационных, полунатурных и экспериментальных исследований БГНК морского объекта получены нижеследующие основные результаты.

1. Проведен аналитический обзор методов и средств гравиметрической съемки, современных подходов к построению гравиинерциальных комплексов подвижных объектов. Выявлены и продемонстрированы достоинства и недостатки традиционных гравиметрических технологий. Проведен анализ возможных путей создания БГНК МПА для проведения высокоточных морских ВГИ. Предложены принципы построения, обоснован выбор состава БГНК и представлена его структура.

2. Разработаны функциональные гравиметрический алгоритм и алгоритм определения параметров ориентации и навигации, реализованные в ЭСК. Представлены построенные на основе разомкнутой и замкнутой схем включения ОФК в систему алгоритмы оценивания параметров (включая параметры аномального гравитационного поля) и коррекции БГНК с использованием СНС и информации о положении МПА на уровне морской поверхности. Для замкнутой схемы предложена процедура коррекции параметров ориентации Родрига-Гамильтона посредством использования корректирующих членов, соответствующих элементам вектора малого поворота, характеризующего уход ВСК. Предложена новая неитерационная процедура преобразования геоцентрических координат, получаемых в процессе работы БГНК, в

географические.

3. Разработана нелинейная модель ошибок гравиметрического канала БГНК, приведены модели ошибок его каналов вычисления параметров ориентации и навигации. С использованием созданных математических аналитических и имитационных моделей проведен анализ точностных характеристик каналов вычисления параметров ориентации, навигации и гравиметрии, показавший потенциальную возможность использования БГНК для осуществления ВГИ с точностью десятых долей мГал в определении модуля УСТ и единиц угл. с в определении уклонений отвесной линии. Созданы имитационные модели комплекса в целом, включая алгоритм оценивания параметров и коррекции БГНК, реализованный как по разомкнутой, так и по замкнутой схемам. Продемонстрирована возможность вычисления аномалии УСТ с точностью на уровне десятых долей мГал как для случая движения по траектории с неизменной аномалией, так и для случая движения в условиях переменного аномального гравитационного поля. Исследована возможность уменьшения ошибок оценивания аномалий УСТ посредством амплитудно-фазовой коррекции соответствующих оценок.

4. Разработаны и созданы макет БГНК, экспериментальная установка, программно-алгоритмическое обеспечение для практических исследований БГНК. Предложены методики настройки макета, проведения полунатурного моделирования и экспериментальных исследований БГНК. Приведены результаты практических исследований макета БГНК, подтверждающие его ожидаемые точностные характеристики в определении параметров ориентации, навигации и гравиметрии. При этом наиболее значимым результатом является экспериментальное подтверждение возможности определения комплексом вертикальной аномалии УСТ с точностью порядка 0,1 - 0,2 мГал с использованием СНС в фазовом режиме, и с точностью 0,2 - 0,3 мГал - в дифференциальном режиме в условиях неподвижного нестабилизированного основания.

5. В целом результаты аналитических, имитационных, полунатурных и экспериментальных исследований БГНК, изложенные в работе, подтверждают возможность использования БГНК МПА для решения задач ВГИ с точностью десятых долей мГал в определении модуля УСТ и единиц угл. с в определении уклонений отвесной линии.

Список работ, опубликованных по теме диссертации: Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК.

1. Афонин A.A., Тювин A.B., Сулаков A.C. Анализ точности векторных гравиметрических измерений // Авиакосмическое приборостроение. -М.: 2007, №3.

2. Тювин A.B., Афонин A.A., Жарков М.В., Карачевцев М.В., Сулаков A.C. Оценка возможностей бесплатформенного гравиинерциального навигацион-

ного комплекса в задачах векторной морской гравиметрии с использованием спутниковой навигации // Авиакосмическое приборостроение. -М.: 2007, № 6. Научные работы в других изданиях.

3. Афонин A.A., Кузнецов A.C., Семенов A.B., Сулаков A.C. Гравиинерци-альный информационный комплекс контроля состояния статичных объектов. Труды 5-ой международной конференции «Авиация и космонавтика 2006», -М.: МАИ, 2006.

4. Афонин A.A., Тювин A.B., Карачевцев М.В., Сулаков A.C. Об особенностях алгоритмов бесплатформенного гравиинерциального навигационного комплекса морского применения. Труды XXXIV Всероссийской конференции по управлению движением морскими судами и специальными аппаратами. ИПУ РАН, -М.: 2007.

5. Сулаков A.C., Карачевцев М.В. Исследование точностных характеристик бесплатформенного гравиинерциального навигационного комплекса. Навигация и управление движением: Материалы докладов IX конференции молодых ученых «Навигация и управление движением» / Науч. редактор д.т.н. O.A. Степанов. Под общ. ред. академика РАН В.Г. Пешехонова, -СПб.: ГНЦ РФ ЦНИИ «Электроприбор», 2007.

6. Карачевцев М.В., Сулаков A.C., Афонин A.A. Бесплатформенный гравии-нерциальный комплекс (БГК) для геофизических измерений и корреляционно-экстремальной навигации. Материалы Всероссийской молодежной научной конференции с международным участием «IX Королевские чтения», Самара, октябрь 2007 г., -Самара, Изд-во СГАУ, 2007.

7. Афонин A.A., Карачевцев М.В., Сулаков A.C., Тювин A.B. О некоторых результатах разработки и исследования многоцелевого бесплатформенного гравиинерциального навигационного комплекса. Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации: Труды XVI Международного научно-технического семинара. Сентябрь 2007 г., Алушта. -Тула: Изд-во ТулГУ, 2007.

8. Афонин A.A., Карачевцев М.В., Сулаков A.C., Тювин A.B. Об исследовании алгоритма работы бесплатформенного гравиинерциального навигационного комплекса (БГНК). Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации: Труды XVI Международного научно-технического семинара. Сентябрь 2007 г., Алушта. -Тула: Изд-во ТулГУ, 2007.

9. Афонин A.A., Тювин A.B., Карачевцев М.В., Сулаков A.C. Некоторые результаты реализации перспективного бесплатформенного гравиинерциального навигационного комплекса для геофизических исследований. Труды 6-ой международной конференции «Авиация и космонавтика 2007», -М.: Изд-во МАИ, 2007.

10. Афонин A.A., Сулаков A.C., Карачевцев М.В. Исследование алгоритма работы гравиметрического канала бесплатформенного гравиинерциального

навигационного комплекса (БГНК). Труды 6-ой международной конференции «Авиация и космонавтика 2007», -М.: Изд-во МАИ, 2007.

11. Афонин A.A., Тювин A.B., Карачевцев М.В., Сулаков A.C. Теоретическое и практическое моделирование бесплатформенного гравиинерциального навигационного комплекса для морских геофизических исследований. Материалы XV Международной конференции по вычислительной механике и современным прикладным программным системам (ВМСППС'2007), май 2007 г., Алушта. -М.: Вузовская книга, 2007.

12. Афонин A.A., Сулаков A.C., Карачевцев М.В. Моделирование работы гравиметрического канала бесплатформенного гравиинерциального навигационного комплекса. Материалы XV Международной конференции по вычислительной механике и современным прикладным программным системам (ВМСППС'2007), май 2007 г., Алушта. -М.: Вузовская книга, 2007.

13. Афонин A.A., Сулаков A.C., Бронь М.Р. О влиянии аномалий силы тяжести и уклонений отвесной линии на точность бесплатформенной инерциаль-ной навигационной системы. Труды всероссийской конференции молодых ученых и студентов «Информационные технологии в авиационной и космической технике-2008». 21-24 апреля 2008 г. Москва. -М.: Изд-во МАИ-ПРИНТ, 2008.

14. Сулаков A.C., Афонин A.A. Некоторые результаты исследования бесплатформенного гравиинерциального комплекса. Труды 7-й международной конференции «Авиация и космонавтика-2008». -М.: Изд-во МАИ-ПРИНТ, 2008.

15. Афонин A.A., Тювин A.B., Карачевцев М.В., Сулаков A.C. Моделирование работы каналов бесплатформенного гравиинерциального навигационного комплекса (БГНК) и исследование возможностей для физической реализации его подсистем. Труды XXXV Всероссийской конференции по управлению движением морскими судами и специальными аппаратами. ИПУ РАН, -М.: 2008.

16. Афонин A.A., Тювин A.B., Сулаков A.C., Бронь М.Р. О некоторых особенностях бесплатформенного гравиинерциального комплекса. Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации: Труды XVII Международного научно-технического семинара. Алушта, Сентябрь 2008 г. -СПб.: ГУАП, 2008.

17. Афонин A.A., Сулаков A.C., Станкевич Я.В., Хороших Ю.Н. О результатах комплексирования бесплатформенной инерциальной (БИНС) и спутниковой (СНС) навигационных систем в земной экваториальной системе координат. Сборник трудов 2-й Всероссийской конференции ученых, молодых специалистов и студентов «Информационные технологии в авиационной и космической технике-2009», Москва, апрель 2009 г., М.: МАИ, 2009.

18. Афонин A.A., Тювин A.B., Сулаков A.C., Волков В.А. Об алгоритме определения аномалии ускорения силы тяжести бесплатформенным гравиинерци-альным комплексом. Современные технологии в задачах управления, автома-

тики и обработки информации: Труды XVIII Международного научно-технического семинара. Алушта, сентябрь 2009 г. М.: МИРЭА, 2009.

19. Афонин A.A., Тювин A.B., Сулаков A.C. Имитационное моделирование при исследовании бесплатформенного гравиинерциального навигационного комплекса (БГНК). Материалы XVI Международной конференции по вычислительной механике и современным прикладным программным системам (ВМСППС'2009), май 2009 г., Алушта. -М.: Вузовская книга, 2009.

20. Афонин A.A., Тювин A.B., Сулаков A.C. Об измерении аномалии силы тяжести морским бесплатформенным комплексом. Труды XXXVI Всероссийской конференции по управлению движением морскими судами и специальными аппаратами. ИПУ РАН, -М.: 2009.

21. Сулаков A.C. О некоторых особенностях работы бесплатформенного гравиинерциального навигационного комплекса на борту малоразмерного подводного аппарата, находящегося на поверхности моря. Труды 8-й международной конференции «Авиация и космонавтика - 2009». -М.: Изд-во МАИ-ПРИНТ, 2009.

22. Сулаков A.C., Карачевцев М.В., Кузнецов A.C. О некоторых результатах разработки и исследования узлов и алгоритмов бесплатформенного гравиинерциального навигационного комплекса (БГНК). Навигация и управление движением: Материалы докладов X конференции молодых ученых «Навигация и управление движением» / Науч. редактор д.т.н. O.A. Степанов. Под общ. ред. академика РАН В.Г. Пешехонова, -СПб.: ГНЦ РФ ЦНИИ «Электроприбор», 2009.

23. Сулаков A.C., Елизаров Г.И., Цыганов М.Н., Афонин A.A. Некоторые результаты полунатурного моделирования бесплатформенного гравиинерциального навигационного комплекса. Труды научно-практической конференции молодых ученых и студентов МАИ «Инновации в авиации и космонавти-ке-2010», апрель 2010 г., М.: МАИ, 2010.

24. Афонин A.A., Кузнецов A.C., Сулаков A.C. Об уменьшении влияния температурных и временных дрейфов блока маятниковых акселерометров при длительных измерениях на неподвижном основании в лабораторных условиях. Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации: Труды XIX Международного научно-технического семинара. Алушта, сентябрь 2010 г. М.: МЭИ, 2010.

25. Афонин A.A., Тювин A.B., Сулаков A.C. Об исследованиях замкнутой схемы коррекции бесплатформенного гравиинерциального навигационного комплекса. Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации: Труды XIX Международного научно-технического семинара. Алушта, сентябрь 2010 г. М.: МЭИ, 2010.

Введение.

1. Схема построения БГНК МПА и функциональные алгоритмы его работы.

1.1 Аналитический обзор современных подходов к построению мобильных гравиинерциальных комплексов подвижных объектов, особенности методики ВГИ посредством БГНК МПА.

1.2 Структура и состав БГНК.

1.3 Алгоритм определения параметров ориентации и навигации.

1.4 Гравиметрический алгоритм.

1.5 Алгоритмы формирования оценок и коррекции.

1.5.1 Алгоритмы формирования оценок и коррекции

БГНК при разомкнутой схеме включения ОФК в систему.

1.5.2 Алгоритмы коррекции БГНК для замкнутой схемы включения ОФК в систему.

1.5.3 Построение алгоритма коррекции с использованием информации о нахождении МПА на поверхности моря.

1.6 Дополнительные и вспомогательные алгоритмы.

1.7 Сглаживание результатов, получаемых при оценивании аномалии.

2. Анализ свойств алгоритмов комплекса.

2.1 Исследование канала вычисления параметров ориентации и навигации.

2.1.1 Модель погрешностей канала вычисления параметров ориентации и навигации.

2.1.2 Имитационное моделирование канала вычисления параметров ориентации и навигации.

2.1.3 Анализ свойств канала вычисления параметров ориентации и навигации.

2.1.4 Дополнительное исследование алгоритма вычисления параметров ориентации БГНК.

2.2 Исследование гравиметрического канала БГНК.

2.2.1 Модель погрешностей гравиметрического канала

БГНК.

2.2.2 Имитационная модель гравиметрического канала

БГНК.

2.2.3 Анализ свойств гравиметрического канала БГНК.

2.3 Исследование алгоритма формирования оценок и коррекции.

2.3.1 Имитационное моделирование совместной работы основных алгоритмов комплекса.

2.3.2 Анализ свойств алгоритма коррекции и результатов совместной работы основных алгоритмов комплекса.

2.3.2.1 Исследование работы БГНК при постоянных проекциях вектора аномалии УСТ.

2.3.2.2 Исследование работы БГНК при переменных и постоянных проекциях вектора аномалии УСТ.

3. Практические исследования БГНК.

3.1 Экспериментальная установка для исследований макета

БГНК.

3.2 Программно-алгоритмическое обеспечение практических исследований.

3.3 Методика настройки макета и проведения эксперимента.

3.4 Анализ возможностей и ожидаемых характеристик экспериментальных исследований.

3.5 Полунатурные и экспериментальные исследования

БГНК.

3.5.1 Обработка показаний БА.

3.5.2 Проведение полунатурных исследований.

3.5.3 Проведение экспериментальных исследований.

В настоящее время по-прежнему важной является проблема исследования гравитационного поля Земли, в особенности в ее удаленных и труднодоступных регионах, связанная с необходимостью получения больших объемов высокоточных, детальных, оперативных и относительно недорогих гравиметрических измерений. Параметры гравитационного поля Земли необходимы для решения ряда актуальных хозяйственных, научно-исследовательских и оборонных задач геодезии, физики Земли, геофизического мониторинга природно-техногенной сферы и навигации, включая корреляционно-экстремальную навигацию по данным о геофизических аномалиях [32,36,39,45,55]. Особую значимость представляет задача морской грави-разведки, являющаяся важным этапом поиска залежей полезных ископаемых в Мировом океане [35,44], включая природные энергоносители шельфовых зон, в особенности, углеводородные соединения, потребность в добыче которых, а, следовательно, разведке новых и доразведке старых месторождений, как отмечено в Энергетической стратегии России [72], будет только увеличиваться.

На сегодняшний день для решения указанных задач разработано большое количество различных мобильных и стационарных информационно-измерительных гравиметрических комплексов [55,80], основанных на использовании разнообразных гравиметров, построенных на статическом или динамическом принципах измерений абсолютного или относительного вида. Кроме того применяются различные способы гравиметрической съемки [32,73], включая наземные (подземные, донные), выполняемые как посредством переносных (перевозимых между пунктами съемки вездеходной техникой, а иногда авиатранспортом) комплексов, так и мобильных, расположенных на борту автомобильного носителя или в скважине, морские — посредством гравиметрических комплексов на борту научно-исследовательских судов и подводных лодок, а также воздушные — с использованием комплексов, расположенных на борту самолетов, вертолетов и дирижаблей.

Стоит отметить, что с развитием спутниковых технологий' появилась возможность изучения гравитационного поля Земли по спутниковым данным. Однако, этому способу исследования гравитационного поля присущи невысокая точность и, в особенности, детальность измерений [34,46].

Полевая гравиметрическая съемка с использованием наземных портативных гравиметрических комплексов отличается наибольшей точностью и в локальной области может отличаться наибольшей детальностью, однако, по сравнению с другими указанными способами ей характерна малая производительность и чрезвычайно большая длительность и трудоемкость работ [18]. В то же время мобильные способы гравиметрической съемки - сухопутные (в режиме кратковременных остановок), морские, воздушные отличаются большей производительностью, но обладают меньшей точностью измерений в зависимости от степени подвижности носителя при гравиметрических измерениях [18,58]. Тем не менее, отработанность технологии и относительно высокая достигнутая точность мобильных гравиметрических измерений, как правило, является достаточной для решения большинства поставленных задач [32,55,58,73]. Кроме того в некоторых случаях - в Мировом океане, в удаленных и труднодоступных областях, а также при необходимости получения оперативной информации о гравитационном поле некоторого региона применение способов мобильной гравиметрии является наиболее целесообразным, а иногда единственно возможным. Таким образом, в настоящее время проблема исследования гравитационного поля Земли, в особенности в ее удаленных и труднодоступных регионах в основном решается с помощью мобильных гравиметрических комплексов [32,55].

В основе современной мобильной гравиметрической съемки, как правило, лежит использование одноосных гравиметрических датчиков статического или, реже, струнного типа, расположенных на гиростабилизированных платформах, поддерживающих их оси чувствительности в направлении вертикали места [55,80]. Использование гиростабилизированной платформы обычно обеспечивает высокую точность измерения даже в условиях подвижного основания, сочетающуюся с большими массогабаритными характеристиками устройства, значительным энергопотреблением, чрезвычайно большой стоимостью [18,19]. Носителями подобных комплексных устройств обычно являются: сухопутных - грузовые автомобили вездеходного типа (ГАЗ-66, KAMA3-4326 и др.), воздушных - самолеты (Ан-30, Cessna 402 и др.) и вертолеты (Ми-8, Sikorsky S-76 и др.) среднего класса, морских - сред-нетоннажные суда («Аквамарин», «Южморгеология» и др.). При этом стоимость гравиметрической съемки, в особенности воздушной и морской, оказывается чрезвычайно большой, в первую очередь, определяемой стоимостью эксплуатации носителя с экипажем. Подобным носителям, как правило, присущи недостаточные маневренность и оперативность, ограничены их возможности при проведении детализированной съемки с высокой плотностью, в особенности, в районах затрудненной доступности из-за ограниченной проходимости сухопутного носителя, удаленности от аэродромов - для воздушного, а также в акваториях ограниченного судоходства (мели, ледовые и скалисто-рифовые области и др.) [18,19]. Кроме того, в особенности, для воздушных носителей сохраняется потенциальная опасность как для экипажа исследователей, так и людей и материальных ценностей, находящихся на исследуемых территориях, а также окружающей среды. Также стоит отметить, что известные автору мобильные гравиметрические комплексы не решают актуальной задачи нахождения уклонений отвесной линии [32,55,58,73,80].

В то же время в последние десятилетия достигнуты значительные успехи в построении высокоточных малогабаритных бесплатформенных инер-циальных навигационных систем (БИНС) [2,33] и автоматизированных комплексов систем ориентации и навигации на их основе. При этом также получены высокие результаты в построении малогабаритных прецизионных чувствительных элементов БИНС - гироскопов, обладающих точностью порядка сотых долей град/ч, и акселерометров, точность которых приближается к 10-6 м/с2 [20,27,28,38,68] и становится соизмеримой с точностью традиционных гравиметрических чувствительных элементов. Такие бесплатформенные информационно-измерительные комплексы могут располагаться на борту относительно небольших маневренных носителей [18,19,67].

Таким образом, актуальной является проблема создания малогабаритных, относительно недорогих информационно-измерительных систем и комплексов, предназначенных для осуществления высокоточных, высокопроизводительных измерений параметров гравитационного поля Земли на подвижном основании, а также прецизионного решения задач определения параметров ориентации и навигации. Создание такого комплекса позволило бы осуществлять проведение гравиметрической съемки с борта малоразмерного носителя, включая автоматические необитаемые подводные аппараты, с повышенной производительностью, детальностью и оперативностью при значительном снижении материальных затрат и рисков.

В этой связи, в частности, научным коллективом кафедры «Автоматизированные комплексы систем ориентации и навигации» МАИ была предложена концепция векторных гравиметрических измерений (ВГИ) на борту малоразмерного подводного аппарата (МПА) посредством бесплатформенного гравиинерциального навигационного комплекса (БГНК) [67]. Ее предпосылками являются достижения коллектива в области построения бесплатформенного информационно-избыточного трехкомпонентного модуляционного динамического гравиметра (ТМДГ) [20,27,28,38,68], построенного на базе современных прецизионных навигационных акселерометров. В рамках проведенных работ [20,67,68] были предложены обобщенные структура, состав и общие алгоритмы БГНК, получены предварительные результаты, показывающие потенциальную возможность проведения ВГИ в бесплатформенных технологиях с точностью порядка десятых долей мГал в определении модуля ускорения силы тяжести (УСТ), что соответствует требованиям к современной морской гравиметрии, а также единиц угловых секунд в определении уклонений отвесной линии. Не освященными оставались вопросы детальной проработки алгоритмической части комплекса, создания уточненных функциональных алгоритмов работы БГНК и его моделей ошибок, разработки имитационных моделей работы БГНК, проведения имитационных и экспериментальных исследований комплекса с целью подтверждения теоретических предположений о возможности проведения высокоточных бесплатформенных гравиметрических измерений.

Итак, целью диссертационной работы является разработка частного варианта структуры БГНК МПА, включающей БИНС и приемник спутниковой навигационной системы (СНС), его алгоритмов работы и исследование его возможностей при решении задач ВГИ с точностью десятых долей мГал в определении модуля УСТ и единиц угл. с в определении уклонений отвесной линии.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

1) анализ особенностей построения современных гравиинерциальных комплексов подвижных объектов, обоснование актуальности и перспективности создания БГНК для решения задач ВГИ, разработка принципов построения, выбор его рациональных структуры и состава;

2) разработка функциональных алгоритмов определения параметров ориентации, навигации, векторной гравиметрии, оценивания параметров и коррекции БГНК, а также вспомогательных алгоритмов обработки его информации;

3) разработка математических моделей ошибок БГНК, включая линейную модель ошибок определения параметров ориентации и навигации и нелинейную модель ошибок определения параметров гравитационного поля Земли, их исследование аналитическими методами и методами имитационного моделирования;

4) разработка и исследование имитационных моделей БГНК с целью определения его основных точностных характеристик в различных условиях работы;

5) макетирование, полунатурное моделирование и экспериментальное исследование БГНК в условиях неподвижного нестабилизированного основания;

6) анализ результатов теоретических и практических исследований, подтверждающий возможность и перспективность построения БГНК с высокими точностными характеристиками в определении параметров ориентации, навигации и гравиметрии с точностью до десятых долей мГал в определении модуля УСТ и единиц угл. с в определении уклонений отвесной линии.

Объектом исследования является БГНК, предметом - его структура, алгоритмы работы и характеристики.

Методы исследований. Для решения поставленных задач использовались аналитические методы высшей математики, численные методы решения систем дифференциальных уравнений, методы теории случайных процессов и оптимального оценивания, машинные методы имитационного и полунатурного моделирования, экспериментальные методы исследований.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1) предложен усовершенствованный функциональный алгоритм определения параметров вектора УСТ для реализации ВГИ в бесплатформенных технологиях;

2) разработан новый алгоритм оптимального оценивания параметров БГНК с вектором состояния, расширенным элементами, характеризующими ошибки определения проекций вектора аномалии УСТ, для высокоточного определения параметров аномального гравитационного поля, ориентации и навигации;

3) разработана новая модифицированная процедура коррекции параметров ориентации Родрига-Гамильтона посредством использования корректирующих членов, соответствующих элементам вектора малого поворота, характеризующего уход вычисленной системы координат, обеспечивающая возможность построения замкнутой схемы включения оптимального фильтра Калмана;

4) предложена уточненная нелинейная модель погрешностей гравиметрического канала БГНК, учитывающая влияние членов второго и больших порядков малости, обеспечивающая возможность наиболее детального исследования его точностных характеристик;

5) разработана новая неитерационная процедура аналитического преобразования' геоцентрических координат в географические с потребным уровнем точности для применения в алгоритме БГНК.

Достоверность полученных в диссертационной работе результатов подтверждается: апробацией материалов диссертации; высокой степенью повторяемости результатов при проведении серии опытов в ходе имитационных, полунатурных и экспериментальных исследований моделей и макета БГНК; высокой степенью соответствия результатов аналитических, имитационных и экспериментальных исследований.

Практическая значимость работы.

1) разработаны методики и программное обеспечение для имитационного моделирования БГНК, позволяющие проводить его исследования как на основании полных моделей, так и моделей погрешностей комплекса;

2) разработаны и созданы макет, экспериментальная установка, методики и программное обеспечение для полунатурного моделирования и экспериментального исследования БГНК;

3) предложены рекомендации и показаны возможности уменьшения погрешностей оценивания БГНК параметров аномального гравитационного поля в движении с использованием методов цифровой фильтрации;

4) проведен анализ результатов имитационного и полунатурного моделирования БГНК, а также экспериментальных исследований его макета, теоретически и практически подтвердивший возможность достижения БГНК морского подвижного объекта высоких точностных характеристик по определению параметров навигации (до- единиц см и до тысячных долей м/с), ориентации (крена, дифферента - до единиц у гл. с, курса - до единиц угл. мин) и гравиметрии (до десятых долей мГал в определении модуля УСТ и единиц угл. с в определении уклонений отвесной линии) с использованием позиционной и скоростной корректирующей информации.

Положения, выносимые на защиту:

1) схема построения, рациональный состав и структура БГНК, обеспечивающего решение задач определения параметров ориентации, навигации и вектора УСТ на подвижном основании;

2) функциональные алгоритмы определения параметров ориентации, навигации, векторной гравиметрии, оценивания параметров и коррекции БГНК, а также вспомогательные алгоритмы обработки его информации;

3) линейная модель ошибок определения параметров ориентации и навигации и нелинейная модель ошибок определения параметров гравитационного поля Земли, результаты их анализа;

4) полученные результаты имитационного и полунатурного моделирования БГНК, а также экспериментальных исследований его макета, теоретически и практически подтверждающие возможность достижения его ожидаемых точностных характеристик.

В первой главе представлен обзор и анализ современных подходов к построению гравиинерциальных комплексов подвижных объектов, представлены требования к БГНК МПА. Обоснован выбор структуры и состава БГНК, предложены функциональные алгоритмы работы его основных каналов (гравиметрического, вычисления параметров ориентации и навигации, оценивания параметров и коррекции), а также вспомогательные алгоритмы преобразования координат и цифровой фильтрации оценок параметров аномального поля УСТ.

Во второй главе представлены модели ошибок гравиметрического канала и канала вычисления параметров ориентации и навигации БГНК, его корректирующих подсистем, способы уменьшения погрешностей комплекса, имитационные модели гравиметрического функционального алгоритма и алгоритмов определения параметров ориентации и навигации, оптимального оценивания параметров и коррекции БГНК, методики проведения и результаты моделирования. Проведен их анализ, подтверждающий теоретическую возможность достижения БГНК точностных характеристик, соответствующих современным и заявленным требованиям по определению параметров ориентации, навигации и гравиметрии.

В третьей главе изложены результаты создания макета БГНК и экспериментальной установки для его исследований, представлены результаты его имитационного моделирования, а также методика полунатурных и экспериментальных исследований БГНК на неподвижном нестабилизированном основании и их результаты, подтверждающие возможность построения комплекса с точностными характеристиками, соответствующими заявленным требованиям.

В заключении представлены основные результаты и выводы по работе.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались: на 5-й, 6-й, 7-й, 8-й Международных конференциях «Авиация и космонавтика», Москва, 2006-2009 гг.; на IX и X конференциях молодых ученых «Навигация и управление движением», Санкт-Петербург, 2007-2008 гг.; на XV и XVI Международных конференциях по вычислительной механике и современным прикладным программным системам, Алушта, 2007 г., 2009 г.; на XXXIV, XXXV, XXXVI Всероссийских конференциях по управлению движением кораблей и специальных аппаратов, Туапсе, 2007 г., Адлер, 2008 г., Северодвинск, 2009 г.; на XVI, XVII, XVIII, XIX Международных научно-технических семинарах «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработке информации», Алушта, 2007-2010 гг.; на Всероссийской молодежной научной конференции с международным участием «IX Королевские чтения», Самара, 2007 г., по итогам которой автор был награжден дипломом за лучший доклад, представленный на конференцию; на 1-й и 2-й Всероссийских конференциях ученых, молодых специалистов и студентов «Информационные технологии в авиационной и космической технике», Москва, 2008-2009 гг.

Внедрение результатов исследования.

Полученные в работе результаты использованы в ООО «МГУ

СТАНДАРТ» в рамках технопарка МГУ (г. Москва) в НИР «Разработка универсального векторного гравиметра для работы как на неподвижном, так и на подвижном основании» в части разработки алгоритмов работы гравиметрического измерителя на неподвижном основании; в ООО «ЦТТ» СГАУ (г. Самара) в НИР «Инновационные разработки и исследования в авиации, космонавтике, приборостроении, микроэлектронике и биотехнике» в части разработки алгоритмов работы гравиметрического комплекса морского объекта; в ЗАО «ПРИН» (г. Москва) в НИР «Разработка и исследование новой бесплатформенной технологии построения прецизионных векторных помехозащи-щенных гравиметрических датчиков (ВПГД) для геофизического мониторинга» в части выбора состава, разработки структуры и алгоритмов бесплатформенного гравиметрического комплекса для геофизических исследований; в учебном процессе кафедры «Автоматизированные комплексы систем ориентации и навигации» МАИ в рамках курсов «Проектирование приборных систем», «Специальные микропроцессоры и приборы в системах ориентации, стабилизации и навигации», в курсовом и дипломном проектировании. Полученные результаты использованы при выполнении исследований по грантам РФФИ: № 05-05-65365-а «Разработка и исследование алгоритмов новой бесплатформенной технологии гравиметрической съемки и обеспечение работы гравиинерциального навигационного комплекса подвижного объекта морского применения», № 07-08-00280-а «Исследование и разработка новой бесплатформенной технологии построения векторных прецизионных поме-хозащищенных гравиизмерительных датчиков для геофизического мониторинга природно-техногенной сферы», по проектам Минобрнауки № 2.1.2.9248 аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008 годы)» «Разработка и исследование концепции построения и практических подходов реализации нового типа бесплатформенного гравиинерциального навигационного комплекса морских динамичных объектов для навигации по геофизическим полям и геофизического мониторинга» и № 2.1.2/5938 аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (20092010 годы)» «Разработка и исследование методологии построения нового типа унифицированных бесплатформенных гравиинерциальных комплексов аэро/морского и наземного применения для решения задач ориентации, навигации и геофизического мониторинга природно-техногенной сферы», а также по гранту Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере по программе У.М.Н.И.К. «Разработка бесплатформенного гравиинерциального комплекса (БГК) для геофизических измерений и корреляционно-экстремальной навигации».

Публикации. Основные результаты по теме диссертационной работы опубликованы в 25 печатных работах [5-16, 21-26, 40, 61-66], из которых 2 статьи [21,66] в журналах, рекомендованных ВАК.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы. Основная часть диссертации содержит 168 страниц машинописного текста, 53 рисунка, 7 таблиц, список литературы включает 85 наименований.

Заключение

На основе проведенных в диссертационной работе аналитических, имитационных, полу натурных и экспериментальных исследований БГНК морского объекта получены нижеследующие основные результаты.

1. Проведен аналитический обзор методов и средств гравиметрической съемки, современных подходов к построению гравиинерциальных комплексов подвижных объектов. Выявлены и продемонстрированы достоинства и недостатки традиционных гравиметрических технологий. Проведен анализ возможных путей создания БГНК МПА для проведения высокоточных морских ВГИ. Предложены принципы построения, обоснован выбор состава БГНК и представлена его структура.

2. Разработаны функциональные гравиметрический алгоритм и алгоритм определения параметров ориентации и навигации, реализованные в ЭСК. Представлены построенные на основе разомкнутой и замкнутой схем включения ОФК в систему алгоритмы оценивания параметров (включая параметры аномального гравитационного поля) и коррекции БГНК с использованием СНС и информации о положении МПА на уровне морской поверхности. Для замкнутой схемы предложена процедура коррекции параметров ориентации Родрига-Гамильтона посредством использования корректирующих членов, соответствующих элементам вектора малого поворота, характеризующего уход ВСК. Предложена новая неитерационная процедура преобразования геоцентрических координат, получаемых в процессе работы БГНК, в географические.

3. Разработана нелинейная модель ошибок гравиметрического канала БГНК, приведены модели ошибок его каналов ориентации и навигации. С использованием созданных математических аналитических и имитационных моделей проведен анализ точностных характеристик каналов ориентации, навигации и гравиметрии, показавший потенциальную возможность использования БГНК для осуществления ВГИ с точностью десятых долей мГал в определении модуля УСТ и единиц угл. с в определении уклонений отвесной линии. Созданы имитационные модели комплекса в целом, включая алгоритм оценивания параметров и коррекции БГНК, реализованный как по разомкнутой, так и по замкнутой схемам. Продемонстрирована возможность вычисления аномалии УСТ с точностью на уровне десятых долей мГал как для случая движения по траектории с неизменной аномалией, так и для случая движения в условиях переменного аномального гравитационного поля. Исследована возможность уменьшения ошибок оценивания аномалий УСТ посредством амплитудно-фазовой коррекции соответствующих оценок.

4. Разработаны и созданы макет БГНК, экспериментальная установка, программно-алгоритмическое обеспечение для практических исследований БГНК. Предложены методики настройки макета, проведения полунатурного моделирования и экспериментальных исследований БГНК. Приведены результаты практических исследований макета БГНК, подтверждающие его ожидаемые точностные характеристики в определении параметров ориентации, навигации и гравиметрии. При этом наиболее значимым результатом является экспериментальное подтверждение возможности определения комплексом вертикальной аномалии УСТ с точностью порядка 0,1 - 0,2 мГал с использованием СНС в фазовом режиме, и с точностью 0,2 -0,3 мГал - в дифференциальном режиме в условиях неподвижного нестабилизированного основания.

5. В целом результаты аналитических, имитационных, полунатурных и экспериментальных исследований БГНК, изложенные в работе, подтверждают возможность использования БГНК МПА для решения задач ВГИ с точностью десятых долей мГал в определении модуля УСТ и единиц угл. с в определении уклонений отвесной линии.

1. Агеев М.Д., Киселев JI.B., Матвиенко Ю.В. и др. Автономные подводные роботы: системы и технологии // Институт проблем морских технологий, -М.: Наука, 2005.-398.- ISBN 5-02-033526-6.

2. Андреев В.Д. Теория инерциальной навигации. Автономные системы. -М.: Наука, 1966.

3. Афонин A.A., Кузнецов A.C., Семенов A.B., Сулаков A.C. Гравиинерци-альный информационный комплекс контроля состояния статичных объектов.

4. Труды 5-ой международной конференции «Авиация и космонавтика-2006», -М.: МАИ, 2006.

5. Афонин A.A., Тювин A.B., Кузнецов A.C. Технические основы морской бесплатформенной гравиметрии // Мехатроника, Автоматизация, Управление, №12, 2007, с. 20.27.

6. Афонин A.A., Тювин А.В:, Сулаков A.C. Анализ точности векторных гравиметрических измерений // Авиакосмическое приборостроение. -М.: 2007, № 3.

7. Афонин A.A., Тювин A.B., Сулаков A.C. Об измерении аномалии силы тяжести морским бесплатформенным комплексом. Труды XXXVI Всероссийской конференции по управлению движением морскими судами и специальными аппаратами. ИПУ РАН, -М.: 2009.

8. Афонин A.A., Черноморский А.И. Исследование возможности построения модуляционного динамического гравиметра // Авиакосмическое приборостроение. 2002. №1.

9. Афонин A.A., Черноморский А.И. Об одном подходе к компенсации погрешностей трехкомпонентного модуляционного динамического гравиметра // Авиакосмическое приборостроение.- М.: 2004, №11.

10. ГНЦ «Южморгеология» официальный сайт., URL: http://www.ymg.ru (дата обращения 11.08.2010).

11. ГОСТ Р 51794-2001. Аппаратура радионавигационная глобальной спутниковой системы и глобальной системы позиционирования. Системы координат. Методы преобразования координат определения точек. Госстандарт России. Москва.

12. Грушинский Н.П. Основы гравиметрии. —М.: Главная редакция физико-математической лит., 1983.

13. Дмитроченко Л.А., Гора В.П., Савинов Г.Ф. Бесплатформенные инерци-альные навигационные системы: Уч. пособие. — М.: Изд-во МАИ, 1984, 62 с.

14. Дробышев Н.В., Железняк Л.К., Клевцов В.В., Конешов В.Н., Соловьев В.Н. Погрешность спутниковых определений силы тяжести на море. // Физика Земли, № б 2005, М., Наука, с. 42-54.

15. Железняк Л.К., Конешов В.Н., Лыгин В.А., Пьянков В.Я. Применение высокоточных морских гравимагнитных съемок для поиска нефтегазоносных структур // Физика Земли № N 9, 2001, М., Наука, с.62-68.

16. Закатов П.С. Курс высшей геодезии. Издание 4. М.: «Недра», 1976.

17. ЗАО «ГН1111 Аэрогеофизика» официальный сайт., URL: http://www.aerogeo.ru (дата обращения 15.05.2010).

18. Захаров С.И., Сачков Г.П., Афонин A.A. Оптимизация параметров динамического гравиметра II Вестник Московского авиационного института, 1997, т. 4, №2.

19. Инструкция по гравиразведке. М.: Недра, 1980.

20. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике (для научных работников и инженеров). М: Наука, 1974.

21. Лукомский Ю.А., Корчанов В.М. Управление морскими подвижными объектами. СПб.: «Элмор», 1996.

22. Лурье А.И. Аналитическая механика. М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1961. 824 с.

23. Миронов B.C. Курс гравиразведки. Л.: «Недра», Ленинградское отделение, 1980.

24. Могилевский В.Е., Контарович P.C. Аэрогравиметрия новый метод изучения труднодоступных территорий, перспективных на углеводородное сырье. Приборы и системы разведочной геофизики. Саратов, 2004, № 2.

25. Навигация для всех электронный ресурс., URL: http://www.gpsinfo.ru (дата обращения 22.07.2008).

26. ОАО «Раменский приборостроительный завод» официальный сайт., URL: http://www.rpz.ru (дата обращения 11.03.2010).

27. ОАО «Серпуховский завод «Металлист» официальный сайт., URL: http://www.szmetallist.ru (дата обращения 23.04.2010).

28. ОАО AHIШ «Темп-Авиа» официальный сайт., URL: http://www.temp-avia.ru (дата обращения 11.03.2010).

29. ОАО Концерн «ЦНИИ «Электроприбор» официальный сайт., URL: http://www.elektropribor.spb.ru (дата обращения 05.03.2009).

30. ООО НПК «Оптолинк» официальный сайт., URL: http://www.optolink.ru (дата обращения 07.03.2009).

31. Павлов С.А., Могилевский В.Е., Каплун Д.В., Фокин H.A. Результаты первой производственной аэрогравиметрической съемки на шельфе. НЕФ

32. ТЕГАЗ INTERNATIONAL, 2007.

33. Помыкаев И.И., Селезнев В.П., Дмитроченко JI.A. Навигационные приборы и системы.- М.: Машиностроение, 1983.

34. Применение гравиинерциальных технологий в геофизике // Сборник статей и докладов под общей редакцией В.Г. Пешехонова.- СПб.: ГНЦ РФ ЦНИИ «Электроприбор», 2002 г.

35. Репников A.B., Сачков Г.П., Черноморский А.И. Гироскопические системы. -М.: Машиностроение, 1983. 319 с.

36. Ривкин С.С. Метод оптимальной фильтрации Калмана и его применение в инерциальных навигационных системах (Обзор отечественной и зарубежной литературы). Ч. 1. JL: Судостроение, 1973. 144 с.

37. Ривкин С.С., Береза А.Д. Гироскопическая стабилизация морских гравиметров. —М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1985.

38. Ривкин С.С., Ивановский Р.И., Костров A.B. Статистическая оптимизация навигационных систем. JL: Судостроение, 1976.

39. Савинов Г.Ф. Применение методов оптимальной фильтрации при построении навигационных комплексов. М.: МАИ, 1980.

40. Сулаков A.C., Афонин A.A. Некоторые результаты исследования бесплатформенного гравиинерциального комплекса. Труды 7-й международной конференции «Авиация и космонавтика-2008». —М.: Изд-во МАИ-ПРИНТ, 2008.

41. Тювин A.B., Афонин A.A., Черноморский А.И. Об одной концепции векторных гравиметрических измерений // Авиакосмическое приборостроение, 2005, №3.

42. Тювин A.B., Афонин A.A., Черноморский А.И. Оценка потенциальной точности морских векторных гравиметрических измерений// Мехатроника, Автоматизация, Управление, №8, 2008, с. 8.13.

43. ФГУП НИИ «Полюс» официальный сайт., URL: http://www.polyus.msk.ru (дата обращения 11.03.2010).

44. Хемминг Р.В. Цифровые фильтры. -М: Советское радио, 1980.

45. Челноков Ю.Н. Кватернионные и бикватернионные модели и методы механики твердого тела и их приложения. Геометрия и кинематика движения. —

46. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006. 512 с.

47. Энергетическая стратегия России на период до 2030 года. Распоряжение правительства Российской Федерации от 13 ноября 2009 г. № 1715-р.

48. Юзефович А.П., Огородова JI.B. Гравиметрия. М: Недра, 1980.

49. ACSA Underwater GPS официальный сайт., URL: http://www.underwatergps.com (дата обращения 26.05.2008).

50. Bisnath, S.; Wells, D.; Howden, S.; Stone, G. The use of a GPS-equipped buoy for water level determination // OCEANS, 2003.

51. Elliot N. Arroyo-Suarez, Deborah L. Mabey, Vic Hsiao, Reo Phillips. GPS Buoys Nautical Measurement // GPS World, 2006.

52. Fugro-Lct, Inc. официальный сайт., URL: http://www.lct.com (дата обращения 02.11.2009).

53. ICP DAS Co., Ltd. официальный сайт., URL: http://www.icpdas.com (дата обращения 11.01.2010).

54. Micro-g LaCoste A Division of LRS, Inc. официальный сайт., URL: http://www.lacosteromberg.com (дата обращения 16.04.2009).

55. National Instruments Corporation официальный сайт., URL: http://www.ni.com (дата обращения 20.10.2008).

56. Robert Derencin. Underwater navigation for submarines электронный ресурс., URL: http://www.uboat.net (дата обращения 21.04.2008).

57. Scintrex A Division of LRS официальный сайт., URL: http://www.scintrexltd.com (дата обращения 03.12.2008).

58. Trimble Navigation Limited официальный сайт., URL: http://www.trimble.com (дата обращения 04.09.2009).85. u-blox AG официальный сайт., URL: http://www.u-blox.com (дата обращения 06.09.2009).