Автореферат (Разработка алгоритмов коррекции навигационных систем летательных аппаратов в условиях аномальных измерений)

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы исследования. Определение навигационныхпараметров различных динамических объектов, в частности летательныхаппаратов (ЛА), осуществляется с помощью измерительных систем, которыебазируются на борту ЛА, других динамических объектах и наземногобазирования.

Одной из основных измерительных систем ЛА являетсяинерциальная навигационная система (ИНС). Современные ИНС отличаютсяразличными конструкциями, но все они имеют погрешности, которые стечением времени функционирования ИНС накапливаются, что приводит кснижению точности определения навигационных параметров. Для повышенияточности ИНС применяются различные схемы коррекции.

Самымиэффективными являются схемы коррекции, предусматривающие использованиедополнительныхизмерительныхсистем,напримерспутниковыхнавигационных систем (СНС).СигналыСНСсодержатошибки,обусловленныеслабойпомехозащищенностью канала передачи информации. Они могут быть вызваныцелым рядом факторов от местонахождения до неблагоприятных погодныхусловий. Некоторые источники ошибок возникающих при работе СНСявляются трудно устранимыми.На точность СНС существенное влияние оказывают ошибки,возникающие при выполнении процедуры измерений.

Природа этих ошибокразлична: неточное определение времени; ошибки вычисления орбит;инструментальная ошибка приемника; многопутность распространениясигнала; ионосферные задержки сигнала; тропосферные задержки сигнала;геометрическое расположение спутников, а также пассивные и активныепомехи противника. В процессе работы СНС 10-30% результатов измеренийоказываются аномальными (искаженными) и их необходимо корректировать.Измерительные сигналы содержат одиночные аномальные выбросы, короткиепачки выбросов и пачки аномальных измерений большой длительности. Длякомпенсации влияния аномальных измерений используют адаптивные фильтрыКалмана, медианный фильтр, процедуру Тьюки 53Х, алгоритм скользящегосреднего, методы имитационного моделирования.Большой вклад в решение проблемы обработки навигационнойинформации в условиях аномальных измерений СНС, а также при потереинформационного контакта с СНС внесли Антонович К.М., Гречкосеев А.К.,Денисов В.П., Клюшин Е.Б., Кокорин В.М., Микешина Н.Г., Толстиков А.С.,B.Remondi, G.

Blewitt, S.B. Bisnath, P.A. Gross, A. Leick, R. Landley, P.Tennissen, C. Rizos, M. Braasch и др.Дальнейшее повышение точности навигационных определений врежимах совместной работы ИНС и СНС, а также кратковременного идолговременного отсутствия сигнала от СНС представляет собой актуальнуюзадачу.1При коррекции навигационных систем ЛА используется комплекснаяобработка информации (КОИ), включающая алгоритмы оценивания, напримерфильтр Калмана.В условиях устойчивой работы СНС точность ИНС с КОИ сопоставима сточностью СНС и может даже уступать ей.В связи с этим обстоятельством является актуальной задача оценкиэффективности применения КОИ для коррекции навигационной информации отИНС.

Для оценки эффективности необходимо разработать критерий, спомощью которого можно принять решение об использовании ИНС, СНС иКОИ или только СНС в качестве источника информации при управлении ЛА.Таким образом, выделены актуальные проблемы, которые целесообразнорешить в процессе диссертационного исследования:1.Разработать алгоритмы обработки информации корректируемыхнавигационных систем ЛА в условиях аномальных измерений, а такжепри потере информационного контакта с внешним измерителем.2.Разработать идентификатор эффективности КОИ в полете.Объект исследования.

В качестве основного объекта исследования вдиссертации рассматриваются инерциальные навигационные системыатмосферных ЛА.Предметомисследованияявляютсямоделипогрешностейнавигационных систем, алгоритмы обработки информации навигационныхсистем и алгоритмы построения моделей погрешностей ИНС в автономномрежиме, а также способ оценивания эффективности обработки навигационнойинформации на борту ЛА.Целью работы является разработка и исследование алгоритмовкоррекции ИНС ЛА в условиях аномальных измерений, а также критериевоценки эффективности алгоритмов обработки информации на борту ЛА.Для достижения поставленной цели решаются следующие основныезадачи:1.Исследование особенностей схем алгоритмической компенсациипогрешностей навигационных систем ЛА.2.Разработка алгоритмов оценивания в схеме коррекции ИНС в условияханомальных измерений.3.Разработка критерия оценки эффективности алгоритмов обработкинавигационной информации в полете.4.Разработка алгоритмов компенсации погрешностей и критерияэффективности алгоритмической коррекции ИНС в автономном режиме.Методы исследования.

При решении сформулированных задачиспользовались методы теории автоматического управления, навигационныхсистем, системного анализа, метод самоорганизации, методы математическогомоделирования и программный пакет MATLAB.Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:1.Результаты анализа существующих схем алгоритмической коррекцииИНС с использованием внешнего датчика информации.

Выявлены2особенности режимов коррекции, специфические особенности системСНС.2.Разработан алгоритм оценивания погрешностей ИНС в условияханомальных измерений.3.Разработан релейный алгоритм коррекции ИНС в автономном режиме спомощью прогнозирующих моделей погрешностей.4.Предложены критерии оценки эффективности алгоритмическогообеспечения ИНС в полете с использованием текущей информации, атакже прогноза.Практическая значимость результатов исследования.

Использованиеразработанного алгоритма оценивания позволило осуществлять высокоточнуюкоррекцию навигационной информации ИНС в условиях наличия в измеренияханомальных выбросов. При временном пропадании сигналов СНС или ихисчезновении в алгоритмическом обеспечении ИНС используетсяпрогнозирование измерительного сигнала, полученного в условиях устойчивойработы СНС с помощью алгоритма самоорганизации. Разработанный алгоритмпостроения прогнозирующей модели погрешностей ИНС позволяет проводитькоррекцию в автономном режиме при отсутствии текущей информации отСНС.Для определения эффективности КОИ в полете предложен критерийоценивания эффективности КОИ, предполагающий использование априорныхданных летного эксперимента, а для определения СКО КОИ предложеноиспользовать информацию, получаемую в полете с помощью алгоритмафильтрации, а также прогнозные значения погрешностей ИНС.Результаты диссертации использованы в учебном процессе кафедры«Системы автоматического управления» МГТУ им.

Н.Э. Баумана.Достоверность и обоснованность научных положений и результатовподтверждены корректным использованием методов и алгоритмов теорииуправления, а также достаточным объемом численного моделирования иполученными непротиворечивыми результатами, которые согласуются сизвестными данными, опубликованными в открытой печати.Основные положения диссертационной работы, выносимые назащиту. Алгоритмическое обеспечение схем коррекции ИНС, базирующееся налинейном фильтре Калмана, модифицированном с учетом использованияаномальных измерений, а также релейный алгоритм коррекции, которыйприменяется для построения прогнозирующих моделей погрешностей ИНСразличного уровня подробности.Критерии оценки эффективности КОИ основаны на использованиизначений ковариационной матрицы ошибок оценивания фильтра Калмана, атакже прогнозных значениях погрешностей ИНС.Апробация работы.

Результаты исследований докладывались иобсуждались на: международной научно-практической конференции«Фундаментальные и прикладные исследования» (Москва, 2014); второммеждународном симпозиуме «Современные аспекты фундаментальных наук»(Москва, 2015 г.); международной научно-практической конференции3«Теоретические и практические исследования ХХI века» (Москва, 2014 г.);международной научно-практической конференции «Информационныетехнологии в современном мире» (Дедовск МО, 2016 г.); международнойнаучно-практической конференции «Актуальные вопросы фундаментальныхнаук» (Дедовск МО, 2016 г.); XL академических чтениях по космонавтике«Актуальные проблемы российской космонавтики» (Москва, 2016 г.);Вьетнамо-Российской международной научной конференции (Ханой, 2015 г.);научном семинаре кафедры «Системы автоматического управления» МГТУ им.Н.Э. Баумана.Публикации.

По теме диссертации опубликовано 15 научных работ, изних 6 статей в журналах, входящих в Перечень ВАК Минобрнауки РФ,объемом 5,8 п.л./ 3.2 п.л.Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит извведения, пяти глав, заключения, списка литературы. Текст диссертацииизложен на 148 машинописных страницах, содержит 35 рисунков. Списоклитературы содержит 95 источников.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВ первой главе диссертации рассмотрены навигационные системы ИНСи СНС, их особенности и погрешности.СигналыСНСсодержатошибки,обусловленныеслабойпомехозащищенностью канала передачи информации.

Они могут быть вызваныцелым рядом факторов – от местонахождения до неблагоприятных погодныхусловий. Сравнение сигналов ИНС и СНС позволяет выделить смесь ошибокэтих систем путём вычитания одних показаний из других. Сигнал,пропорциональный этим ошибкам, используется в качестве входного сигналаалгоритма оценивания или прогнозирования. В практических приложенияхчасто встречаются случаи, когда внешние измерения недоступны дляиспользования. Такие ситуации возникают при невозможности использованиявнешних систем из-за возникновения пассивных или активных помех,функционирования ЛА в зонах, где внешний сигнал недоступен и др.Компенсациюпогрешностейизмерительныхсигналовможноосуществлять с помощью алгоритмов прогноза.