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

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТИМЕНИ Н. Э. БАУМАНАНа правах рукописиНГУЕН ДИНЬ ТХАЙРАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ КОРРЕКЦИИ НАВИГАЦИОННЫХСИСТЕМ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ В УСЛОВИЯХАНОМАЛЬНЫХ ИЗМЕРЕНИЙСпециальность 05.13.01 – Системный анализ, управление и обработкаинформации (в технических системах)ДИССЕРТАЦИЯна соискание ученой степени кандидата технических наукНаучный руководительНеусыпин Константин Авенировичд.т.н., профессорМосква – 20172ОГЛАВЛЕНИЕСтр.СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ.…………………………………………………2ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………....6ГЛАВА1.СОВРЕМЕННЫЕСИСТЕМЫНАВИГАЦИИЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ.……………………………………………181.1.

Инерциальные навигационные системы и их погрешности………….181.2. Спутниковая навигационная система………………………………….281.3. Способы коррекции навигационных систем…………………………..351.4. Постановка задачи исследования………………………………………37Выводы по главе 1…………………………………………………………...39ГЛАВА2.АЛГОРИТМЫКОРРЕКЦИИНАВИГАЦИОННОЙИНФОРМАЦИИ В ВЫХОДНОМ СИГНАЛЕ СИСТЕМ……………….402.1. Алгоритмы оценивания………………………………………………..402.2. Разработка алгоритма оценивания погрешностей инерциальнойнавигационной системы в условиях аномальных измерений……………602.3. Алгоритмы построения прогнозирующих моделей………………….682.4.

Алгоритм коррекции ИНС в условиях пропадания сигнала СНС…..86Выводы по главе 2…………………………………………………………..91ГЛАВА 3. ОЦЕНКА ТОЧНОСТИ КОРРЕКЦИИ НАВИГАЦИОННОЙИНФОРМАЦИИ…………………………………...3.1. Способы оценки эффективности современных КОИ………………..92933.2. Разработка критерия оценивания эффективности комплекснойобработки навигационной информации…………………………………...105Выводы по главе 3…………………………………………………………..113ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ……………..1143Стр.4.1.

Модель погрешностей ИНС…………………………………………..1144.2. Результаты математического моделирования алгоритмовсамоорганизации…………………………………………………………....1284.3. Анализ результатов моделирования…………………………………..133Выводы по главе 4…………………………………………………………..136ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………...137СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ…………………………………………………...1394СПИСОК СОКРАЩЕНИЙАО– алгоритм оцениванияБИНС– бесплатформенная инерциальная навигационнаясистемаБЦВМ– бортовая цифровая вычислительная машинаГА– генетический алгоритмГЛОНАСС– Глобальная навигационная спутниковая системаГСП– гиростабилизированный платформДССН– дифференциальная система спутниковой навигацииИК– измерительный комплексИНС– инерциальная навигационная системаИСЗ– искусственный спутник ЗемлиКБТИ– комплекс бортовых траекторных измеренийКОИ– комплексная обработка информацииЛА– летательный аппаратМГУА– метод группового учета аргументовМИПФ– матричная импульсная переходная функцияНК– навигационный комплексНС– навигационная системаПИНС– платформенная инерциальная навигационная системаПНК– пилотажно-навигационный комплексРЛС– радиолокационная системаРСБН– радиотехническая система ближней навигацииРСДН– радиотехническая система дальней навигацииРТС– радиотехническая системаСК– система координатСКО– среднеквадратическое отклонениеСНС– спутниковая навигационная системаСРНС– спутниковая радио-навигационная система5ТТЗ– тактико-техническом заданииGPS– Global Positioning SystemPDOP– Position Dilution Of PrecisionSDC– State Dependent Coefficient6ВВЕДЕНИЕЭксплуатационные характеристики летательных аппаратов (ЛА) вбольшой степени определяются совершенством бортового оборудования, вчастности, качеством информационно -измерительных сигналов, используемыхдля управления.

Источником информационно-измерительных сигналов оместоположении, ориентации, скорости и других параметрах движения ЛАявляется навигационный приборный комплекс [7, 9, 12, 94]. СовременныенавигационныекомплексыобычновключаютСистемуГлобальногоПозиционирования (Global Positioning System), которая является спутниковой.Спутниковая навигационная система (СНС) имеет погрешности [33, 60],которые могут достигать неприемлемых величин и имеют различную природувозникновения.Для повышения точности инерциальных навигационных систем (ИНС)обычноиспользуютсякакие-либодатчикивнешнейнавигационнойинформации [8].

Коррекция показаний ИНС ЛА часто осуществляется спомощью спутниковой системы СНС. Однако сигналы СНС также содержатошибки, обусловленные слабой помехозащищенностью канала передачиинформации. Они могут быть вызваны целым рядом факторов – отместонахождения до неблагоприятных погодных условий [33]. Поэтому нельзяполностью полагаться на работу ИНС и СНС в тандеме, т.к. на практике и та, идругая система далека от идеала. Сигналы ИНС и спутниковой системы обычноподвергают совместной обработке в бортовой цифровой вычислительноймашине (БЦВМ).

Сравнение сигналов ИНС и СНС позволяет выделить смесьошибок этих систем путём элементарного вычитания одних показаний издругих. Сигнал, пропорциональный этим ошибкам, используется в качествевходного сигнала алгоритма оценивания или прогнозирования [22]. С помощьюнегоосуществляетсявычислениеошибокИНС,аошибкиСНСотфильтровываются. В алгоритме оценивания или прогнозирования ошибкиСНС принимаются за измерительный шум и подавляются.

С выхода алгоритмаоценивания сигнал, пропорциональный ошибке ИНС поступает в выходной7сигнал ИНС, где алгебраически вычитается из информационного сигнала,пропорционального местоположению и скорости летательного аппарата. Такимобразом, осуществляется коррекция навигационной информации, получаемой спомощью ИНС.Некоторые источники ошибок возникающих при работе СНС являютсятрудно устранимыми [41, 63]. Вычисления предполагают, что сигналраспространяется с непрерывной скоростью, которая равна скорости света.Однако в реальности все гораздо сложнее. Скорость света является константойтолько в вакууме. Когда сигнал проходит через ионосферу (слой заряженныхчастиц на высоте 130 – 290 км) и тропосферу, его скорость распространенияуменьшается, что приводит к ошибкам в измерения дальности [33].

ВсовременныхСНСприемникахиспользуютвсевозможныеалгоритмыустранения этих задержек.Иногда возникают ошибки в ходе атомных часов и орбитах спутников, ноони обычно незначительны и тщательно отслеживаются со станций слежения.Многолучевая интерференция также вносит ошибки в определениеместоположения с помощью СНС. Это происходит, когда сигнал отражается отобъектов расположенных на земной поверхности, что создает заметнуюинтерференцию с сигналами приходящими непосредственно со спутников.Специальная техника обработки сигнала и продуманная конструкция антеннпозволяет свести к минимуму этот источник ошибок.Наиболееэффективнымдифференциальныйспособсредствомнаблюденийисключения–ошибокявляетсяДифференциальнаясистемаспутниковой навигации (ДССН) [60, 62].Недостатком этого метода является повышение сложности аппаратурыпотребителей.Повышение точности навигационного обеспечения, основанного наиспользовании спутниковой радио-навигационной системы (СРНС) и СНСтакже связано с большими сложностями [8].

В силу особенностей, заложенныхпри проектировании данных систем, стандартный потребитель не может8получить данные о плановых координатах точнее 30 м для СРНС и 15 м дляСНС (3 см/с и 1,5 см/с по скорости соответственно).В практических приложениях часто встречаются случаи, когда внешниеизмерения недоступны для использования. Такие ситуации возникают приневозможности использования внешних систем из-за возникновения пассивныхили активных помех, функционирования ЛА в зонах, где внешний сигналнедоступен и др.Компенсациюпогрешностейизмерительныхсигналовможноосуществлять с помощью алгоритмов прогноза [22].

Погрешности сигналовпрогнозируются и компенсируются в выходной информации системы.Для осуществления прогноза необходимо иметь модель погрешностейисследуемой измерительной системы. В условиях полета при исчезновенииполезного сигнала осуществляется построение модели погрешностей ИНС.Актуальностьпараметровтемыразличныхисследования.динамическихОпределениеобъектов,внавигационныхчастностиЛА,осуществляется с помощью измерительных систем, которые базируются наборту ЛА, других динамических объектах и наземного базирования.

Одной изосновных измерительных систем ЛА является ИНС. Современные ИНСотличаются различными конструкциями, но все они имеют погрешности,которые с течением времени функционирования ИНС накапливаются, чтоприводит к снижению точности определения навигационных параметров [29,94]. Для повышения точности ИНС применяются различные схемы коррекции.Самыми эффективными являются схемы коррекции, предусматривающиеиспользование дополнительных измерительных систем, например 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.9НаточностьСНСсущественноевлияниеоказываютошибки,возникающие при выполнении процедуры измерений.

Природа этих ошибокразлична: неточное определение времени; ошибки вычисления орбит;инструментальнаяошибкаприемника;многопутностьраспространениясигнала; 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 [76].Большойвкладврешениепроблемыобработкинавигационнойинформации 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.