Сетевое издание
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

АНАЛИЗ ВАРИАНТОВ ИНТЕГРИРОВАННЫХ НАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ

Суворов М.А. 1
1 ФГАОУ ВПО «Уральский Федеральный университет имени первого президента России, Б.Н. Ельцина»
Один из способов решения задачи навигации – построение интегрированных навигационных систем. Было пояснено, почему выбрано именно такое решение. В статье представлены их основные варианты в современных навигационных системах. Каждый вариант был детально изучен: для него был пояснен принцип его работы; дана характеристика эффективности определения координат навигационных систем, реализующих данную схему; рассмотрены основные достоинства и недостатки. В статье представлен сравнительный анализ с остальными вариантами по таким параметрам, как точность определения координат, структура измерительных приборов, избыточность информации, надежность системы, количество ошибок, энергообеспечение, сложность вычислений. Были приведены примеры их реализации в современных навигационных системах. Также было сказано о некоторых проблемах такой реализации. Сделан вывод о возможном улучшении характеристик БИНС при использовании интегрированных навигационных систем.
БПЛА
Навигационные системы
комплексирование
1. Алешин Б.С., Веремеенко К.К., Черноморский А.И. Ориентация и навигация подвижных объектов: современные информационные технологии. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006. — С. 273–280.
2. Аникин А.А. Разработка и моделирование систем комплексирования разнородных наблюдений: автореф. дис. ... канд. технич. наук. — Ульяновск, 2006. — С. 40–53.
3. Демьянов А.А., Никитин В.Г. Анализ влияния степени интеграции инерциально-спутниковой системы посадки на целостность с учетом надежности // Аэрокосмические приборы и системы. — М.: 2011. — С. 3–5.
4. Красильщиков М.Н., Серебряков Г.Г. Управление и наведение беспилотных ма-невренных летательных аппаратов на основе со¬временных информационных технологий — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. — С. 263
5. Степанов О.А. Интегрированные инерциально-спутниковые системы навигации // Гироскопия и навигация. — 2002. — № 1. — С. 23–46.
6. Фокин Л.А., Щипицын А.Г. Методы пространства состояний в задаче синтеза // Вестник Южно-Уральского государственного университета. — 2006. — № 14. — С. 148–149.
7. Farrell J.A. GPS/INS-Streamlined // Navigation— 2002. — № 4. — P. 171–182.
8. Grewal M.S., Weill L.R., Andrews A.P. Global Positioning Systems, Inertial Navigation, and Integration. — New-York: John Wiley & Sons, Inc, 2001. — 392 p.

Развитие информационных технологий, а также в целом технический прогресс позволили вывести тактико-технические возможности подвижных объектов на существенно новый уровень. Большая заслуга в этом принадлежит развитию в области решения задач ориентации и навигации. Системы на борту летательного аппарата (ЛА), решающие эти задачи, объединяются в информационно-управляющие комплексы ориентации и навигации (КОН). В последнее время одной из главных целей является повышение точности и надежности определения параметров ориентации и навигации.

К числу основных систем навигации принадлежат инерциальные системы навигации (ИНС) и спутниковые системы навигации (СНС). Каждая из этих систем имеет свои достоинства и недостатки. Современным ЛА, использующим КОН, не хватает точности, которую могут предоставить ИНС и СНС по отдельности. Выходом из этой ситуации является интегрированная система, в которой ИНС и СНС дополняют друг друга. Достоинства их совместного использования хорошо известны [4; 5; 7; 8]. В таких интегрированных системах часто используются бесплатформенные инерциально-навигационные системы ввиду их повышенной надежности, меньшего веса, меньших показателей энергопотребления и т.д. [1].

Работы по интегрированию ИНС и СНС ведутся уже достаточно давно, и в настоящее время сложилось представление о возможности комплексирования в следующих вариантах [6]:

  • раздельная схема;
  • слабо связанная схема;
  • жестко связанная схема;
  • глубоко интегрированная схема.

Раздельная схема

Самый простой вариант совместного использования ИНС и СНС (рис. 1). Принцип работы заключается в периодическом перезапуске алгоритма ИНС с новыми начальными условиями координат и скорости, которые поступают от СНС. Это необходимо, потому что ошибки ИНС увеличиваются со временем. Получается система, обладающая более высокой точностью в вычислении координат, скорости и углам ориентации по сравнению с ИНС и СНС. Изменения в уже существующих КОН для построения такой системы требуются минимальные.

раздельная схема.png

Рис. 1. Раздельная схема комплексирования СНС и ИНС

Слабо связанная схема

ИНС и СНС в слабо связанной схеме работают независимо, но появляется независимый блок, отвечающий за коррекцию данных, полученных от СНС с помощью интегрального фильтра Калмана (рис. 2).

слабосвязанная схема.png

Рис. 2. Слабо связанная схема комплексирования ИНС и СНС

Здесь функциональное разделение систем может сопровождаться физическим разделением: СНС, ИНС и блок вычислителя-корректора оформляются в виде законченных блоков, между которыми организованы соответствующие информационные связи, не требующие высоких скоростей при передаче данных.

В этой схеме СНС использует информацию от ИНС только для целей более надежного восстановления захвата после его потери (связь выходного блока ИНС и ВЧ-приемника). Структура ИНС позволяет скорректировать данные измерительных приборов по априорным данным, полученным, например, в предыдущей итерации. Блок, который соединяет блоки СНС и ИНС, является интегральным блоком Калмана. В его задачи входят получение данных от обеих систем, вычисление разности показаний и на этой основе определение величины ошибки оценки ИНС. После этого данные об ошибке отправляются в ИНС посредством блока компенсации инструментальных ошибок.

В слабо связанной схеме, как и в раздельной, данные вырабатываются независимо у ИНС и СНС. Слабо связанная схема является «каскадной» в силу двух последовательно включенных фильтров Калмана. Плюсом такой схемы является высокая надежность комплексной системы, а минусом – взаимная корреляция ошибок оценок на выходе фильтра спутникового приемника и их отличие от белых шумов [1]. Существует 3 вида слабо связанных схем: стандартная, «агрессивная», MAGR-схема (Military Airborne GPS Receiver).

Жестко связанная схема

В такой системе роль ИНС сводится только лишь к определению первичных параметров поступательного и вращательного движений (рис. 3). Поэтому блоки ИНС представляют собой лишь блоки инерциальных измерителей (акселерометры и гироскопы). В СНС фильтр Калмана отсутствует. Измерения с СНС и ИНС идут в общий вычислительный блок, в котором реализован интегральный фильтр Калмана.

Рис. 3. Жестко связанная схема комплексирования ИНС и СНС

По сравнению с разделительными и слабо связанными системами жестко связанные системы более точны, а интегральный фильтр позволяет использовать все доступные спутники. Например, при одной и той же точности ИНС на 20-й минуте автономного полета жестко связанная схема дает в 1,5–2 раза меньшие ошибки определения координат, чем слабо связанная схема. Также они различаются временами потери работоспособности аппаратуры потребителей [там же]. Но из-за того, что становится доступным лишь одно совместное решение, это приводит к потере избыточности системы.

Достоинства таких систем [там же]:

  • отсутствие проблемы взаимной корреляции шумов измерений и их отличие от белых шумов;
  • отсутствие проблемы синхронизации измерений БИНС и СНС, так как используется один формирователь тактовых частот;
  • обнаружение и отбраковка «плохих» измерений псевдодальностей, так как появляется возможность их контроля по предсказанным значениям, формируемым с использованием данных от БИНС.

Недостатки [там же]:

  • необходимость разработки специальной аппаратуры потребителя (приемника);
  • использование сложных уравнений измерения;
  • ухудшение надежности, так как отказ в БИНС приводит к отказу системы в целом.

Глубоко интегрированная схем

Такие системы более сложные с точки зрения организации их структуры (рис. 4).

Рис. 4. Глубоко интегрированная схема комплексирования ИНС и СНС

Все оценки производятся в интегральном фильтре Калмана, а ГЛОНАС/GPS – приемник еще более упрощается. В интегральном фильтре Калмана вычисляются не только ошибки ИНС, но и оценки псевдодальностей и псевдоскоростей. Такой фильтр должен обладать двадцатым-сороковым порядком, и для его реализации нужны ЭВМ с большим быстродействием, что затрудняет продвижение таких систем на современный рынок БПЛА.

Достоинства [там же]:

  • отсутствие проблемы «каскадного» включения фильтров;
  • компактность;
  • пониженные требования по энергообеспечению;
  • обнаружение и отбраковка «плохих» измерений псевдодальностей, так как появляется возможность их контроля по предсказанным значениям, формируемым с использованием данных от БИНС.

Недостатки [там же]:

  • вектор состояния содержит до 40 компонентов, и фильтр трудно реализуем;
  • имеется необходимость разработки специальных датчиков.

Заключение

В [2] приведены примеры реализации схем комплексирования в современных навигационных системах, а также даны их качественные и количественные характеристики. Степень интеграции оказывает качественное влияние на показатель целостности: он увеличивается на 9,90165 для жестко связанной схемы интегрирования и на 1,63733 — для глубоко интегрированной схемы по сравнению с показателем целостности для слабо связанной интеграции. Вероятность ложного отказа увеличивается на 1,10576 для жестко связанной схемы, для глубоко интегрированной схемы — на по сравнению с показателем для слабо связанной схемы интегрирования. Также вероятность необнаруженного отказа уменьшается для сильно связанной схемы на –1,07261, а для глубоко интегрированной схемы — на 7,10448 по сравнению с показателем для слабо связанной схемы интеграции [3].

Последние три схемы получают из фильтра Калмана оценки погрешностей ИНС, которые можно использовать для коррекции датчиков ИНС, следовательно, улучшая работу ИНС в автономном режиме. Таким образом, при комплексировании СНС и БИНС по жестко связанным и слабо связанным схемам или глубоко интегрированной схеме возможно улучшение характеристик автономных БИНС не только по координатам, но и по другим параметрам.

Рецензенты:

Поршнев С.В., д.т.н., профессор, зав. кафедрой радиоэлектроники информационных систем Уральского Федерального Университета имени первого Президента России Б.Н. Ельцина, г. Екатеринбург;

Иванов В.Э., д.т.н., профессор, зав. кафедрой технологии и средств связи Уральского Федерального Университета имени первого Президента России Б.Н. Ельцина, г. Екатеринбург.


Библиографическая ссылка

Суворов М.А. АНАЛИЗ ВАРИАНТОВ ИНТЕГРИРОВАННЫХ НАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ // Современные проблемы науки и образования. – 2015. – № 1-1. ;
URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=19414 (дата обращения: 17.09.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074