CC BY
78
Maximov Vladimir Nikolaevich, research fellow, memsdsp@gmail. com, Russia, Moscow, Moscow Aviation Institute (National Research University)
УДК 629.3.05
АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПОМЕХОЗАЩИЩЕННОГО НАВИГАЦИОННОГО КОМПЛЕКСА
ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
Д. А. Антонов, К.К. Веремеенко, М.В. Жарков, И.М. Кузнецов
Предложен подход к решению задачи повышения точности и помехозащищенности навигационного обеспечения транспортного средства (ТС), функционирующего в рамках интеллектуальной транспортной системы (ИТС). Показана обобщенная структура алгоритма обнаружения, контроля и исключения сигналов навигационных космических аппаратов (НКА) глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС), содержащих ошибку многолучевости. Приводятся результаты разработки математического аппарата, обеспечивающего реализацию указанного алгоритма.
Ключевые слова: интеллектуальная транспортная система, интегрированная навигационная система, ГЛОНАСС, многолучевость, фильтр Калмана.
Постановка задачи. На сегодняшний день бортовой приемник спутниковых навигационных систем ГЛОНАСС-ОР8 предполагается основным источником навигационной информации в большинстве известных проектов ИТС, включая ИТС Москвы. При движении ТС в условиях плотной городской застройки часто возникают затенения и переотражения сигналов спутниковых радионавигационных систем, что приводит к значительному снижению точности и помехозащищенности навигационного решения. Термин «помехозащищенность» в данном случае связан с устойчивостью навигационного обеспечения к искажениям сигналов НКА под влиянием многолучевости.
В статье приводятся результаты исследования, выполненного при финансовой поддержке РФФИ и Правительства Москвы в рамках научного проекта № 15-38-70055 «мол_а_мос». На первом этапе проекта был проведен анализ существующих методов борьбы с многолучевостью и выработаны рекомендации в части проектирования помехозащищенной комплексной навигационной системы ТС, функционирующего в рамках ИТС.
Проведенный анализ показал наличие достаточно большого числа методов борьбы с многолучевостью [1]. Тем не менее, ни один из них в отдельности не позволяет гарантировать наличие навигационного решения с характеристиками, соответствующими не только перспективным, но даже и существующим требованиям ИТС. Одним из вариантов решения про-
блемы получения более высокой точности является объединение части различных подходов. При использовании на борту ТС неспециализированного приёмника ГНСС низкой стоимости и отсутствии возможности внесения изменений в его аппаратный и программный состав наиболее перспективным представляется синтез комплексного алгоритма обнаружения и контроля искажений в измерениях псевдодальности и псевдоскорости на основе рекуррентного стохастического оценивателя. При синтезе алгоритма рекомендуется выполнить следующие условия:
- погрешности измерения псевдодальности и псевдоскорости должны представляться в виде комбинации волновой и стохастических моделей [2];
- необходимо использовать информацию от одометрических и инерциальных датчиков;
- необходимо не только обнаруживать искажения сигналов, но и оценивать и контролировать величину погрешности измерения;
- с целью снижения влияния геометрического фактора, повышения характеристик непрерывности и доступности необходимо осуществлять контроль величины погрешности измерения псевдодальности и псевдоскорости для ранее исключенных НКА с целью возможного включения этих измерений в решение;
- необходимо формировать прогноз точности определения не только навигационных параметров, но и измерений на основе всей совокупности поступающей информации.
Таким образом, ниже приводится обобщенная структура алгоритмического обеспечения и функциональный алгоритм помехозащищенного бортового автомобильного навигационного комплекса ТС, разработанные с использованием перечисленных рекомендаций с целью удовлетворить требованиям ИТС.
Алгоритмическое обеспечение навигационного комплекса ТС ИТС. С целью повышения точности и помехозащищенности навигационного обеспечения ТС при использовании в качестве основного источника измерений неспециализированных приёмника и антенны ГНСС предлагается синтезировать алгоритм комплексной обработки информации с использованием показаний одометрического и инерциальных микромеханических датчиков. При этом погрешности определения псевдодальностей и псевдоскоростей представляются в виде совокупности волновой и стохастической модели [2]. В виду невозможности одновременной оценки параметров волновой структуры для всех НКА рабочего созвездия [3] предложенный алгоритм является перестраиваемым и позволяет брать на сопровождение и контролировать сигналы НКА, попадающие под подозрение на наличие искажений, возникающих в результате приема переотраженных сигналов (ППС) и интерференции прямых и переотраженных сигналов (ИППС), выше заданного порога. При этом алгоритм позволяет использовать (вплоть до некоторого порога принятия решения об исклю-
чении) в навигационном решении искаженные измерения с целью обеспечения непрерывности и доступности навигационных параметров. Также алгоритм реализует функцию контроля измерений от ранее исключенных НКА с целью их использования в навигационном решении при необходимости. Обобщенная блок-схема предлагаемого алгоритма навигационного комплекса ТС приводится на рис. 1.
Источниками измерений для алгоритма являются неспециализированный приёмник ГНСС (блок 3), трехосный микромеханический инерци-альный блок чувствительных элементов (ИБЧЭ, блок 1), одометрический датчик и датчик угла поворота рулевого колеса (ОД) ТС (блок 2). Измерения проекций кажущегося ускорения и абсолютной угловой скорости поступают в алгоритм первичной обработки (блок 4), в котором осуществляется пересчет к связанной с ТС системе координат, масштабирование измерений и учет полученных на этапах калибровки, начальной выставки и на основе результатов работы рекуррентного оценивателя оценок погрешностей сдвига нуля и масштабных коэффициентов. Блок 5 выполняет те же функции для датчиков ОД.
Рис. 1. Обобщенная блок-схема алгоритма навигационного
комплекса ТС
65
С целью обнаружения скачкообразных изменений, превышающих установленный порог, в блоке 6 осуществляется допусковый контроль -контроль максимально возможных приращений псевдодальностей и псевдоскоростей между эпохами. Порог определяется исходя из ограничений на динамику ТС.
В блоках 7 и 8 осуществляется допусковый контроль по уровню соотношения сигнал/шум (С/Ш) и углам возвышения НКА с целью исключения из решения сигналов НКА с уровнем С/Ш ниже установленного порога и углом возвышения меньше угла маскирования.
В блоке 9 и 11 реализуются дискретные алгоритмы двухканальной БИНС и системы счисления горизонтальных координат по показаниям одометра. Из этих блоков поступает информация о долготе
(АБИНСдОД)
и широте (фБИНС,ф0Д), восточной (УЕБИНС, УЕ0Д) и северной (У^ИНС,У°Д) проекциях путевой скорости и углах ориентации БИНС.
В блоке 10 реализуются алгоритмы начальной выставки БИНС и системы счисления координат по показаниям ОД.
В блоке 13 реализован учет кинематических особенностей динамики ТС (учет неголономных связей) [4].
На основе информации о координатах и скорости НКА и координатах и скорости ТС, полученных как результат счисления в блоках 9 и 11, вычисляются прогнозируемые значения псевдодальностей и псевдоскоростей (блоки 12 и 14). Например, прогнозируемая псевдодальность до ¡-ого НКА, вычисленная на основании координат НКА в декартовой гринвичской системе координат и координат БИНС, определяется соотношением:
БИНС 1/пС.НС тлБИНС. ¡2 , /„СНС пБИНС {2 , ,„СНС „НИНС ,2 Р1 1, 1 ' (2, 2 / +(Кз. ~К3 )
где 1 = 1, ш - порядковый номер измерения НКА в рабочем созвездии ГНСС, ш - число НКА рабочего созвездия. Прогнозируемая (вычисленная) радиальная скорость относительного движения БИНС - ьый НКА определяется соотношением:
■БИНС 1 у
БИНС ^ Р* 7=1
(Т>СНС „БИНС х п/СНС т г БИНС \ (А7, " 7/ "Г/ }
где У^У^У3С.НС - проекции вектора относительной скорости НКА в гринвичской системе координат.
Связь между декартовыми гринвичскими координатами точки места ЯБИНС, Н|инс, ЯзИНС и ее географическими координатами, вычисленными в алгоритме БИНС, имеет вид:
К\ИНС = (Д'+ Ьбинс ) • со <лшнс) • со КФбинс \
КШНС = {кНбшс ). С05{Я/шнс). со 5(фБШС),
КБИНС =((1_е2yRI+ Á) . ып{фБШС), W' = . ,
ф-е -sin (Фбинс) где а - большая полуось эллипсоида Земли, е2 - квадрат первого эксцентриситета (определяются принятой географической системой координат), h - оценка высоты ТС, получаемая на основе оценки ошибки определения высоты в оценивателе.
Связь между проекциями путевой скорости, вычисленными БИНС, в географической системе координат и проекциями относительной скорости БИНС в гринвичской системе VfHHC, У2БИНС,У|ИНС определяется соотношением:
"тг БИНС' ч ^еБПНС
т г БИНС у2 =[в]т ■ ^}1БПНС
т г БИНС Ч Vh
-$т(ЛБИНС) со К^БИНС) 0
-™<&БИНС)-^(ФБИНС) -^(Лшнс)-ът(фБШС) СОКФБИНС) >
со КЛБШС) • со8 {Фбинс ) ) ■ со КФбинс ) ^{Фбинс ) _
где УЪ - оценка вертикальной скорости ТС, получаемая на основе оценки ошибки определения вертикальной скорости оценивателем.
В блоке 15 реализуется контроль приращений псевдодальностей и псевдоскоростей между текущей и предыдущей эпохой. В отличии от допускового контроля на основе априорной информации об ограничениях на динамику ТС (блок 6) в блоке 15 осуществляется контроль на основе измерений ГНСС приёмника и прогноза псевдодальностей/псевдоскоростей и дисперсий ошибок их прогноза оценивателем на базе рекуррентного оптимального стохастического фильтра Калмана. При этом из НКА, признанных отвечающими требованиям блоков 6, 7, 8 и 15 формируется группа «рабочих» НКА, сигналы которых используются в оценивателе. НКА, отвечающие требованиям 6, 7, 8, но не прошедших контроль блока 15, дополняют имеющуюся с предыдущей эпохи группу «сопровождаемых» НКА, сигналы которых могут содержать ошибку мно-голучевости. При этом сигналы «сопровождаемых» НКА используются в векторе измерений оценивателя. Однако, ввиду подозрения на наличие в их измерениях погрешности многолучевости для каждого НКА из этой группы в дальнейшем осуществляется расширение вектора состояния оценивателя параметрами волновой модели погрешностей псевдодальностей и псевдоскоростей. Обобщенная методика контроля приращений (блок 15), например, с использованием показаний БИНС, имеет следующий вид.
1. Выбирается опорный НКА (номер о), удовлетворяющий критерию:
о = пит НКА [ппп(С / Ш)].
2. С целью контроля измерений опорный НКА априорно включается в группу «сопровождаемых» НКА.
3. Для исключения ошибки ухода опорного генератора строятся первые разности псевдодальностей и псевдоскоростей на текущую эпоху (1:к) для Ь НКА, входящих в группы «рабочих» и «сопровождаемых» НКА с предыдущей эпохи:
сне,
Г о
Ар7СЯС(^)
Р-7/Г<'*)
Ш
Ар7СЯС(^)
где [ = 1,и [^о.
В случае смены опорного НКА между эпохами строятся первые разности для предыдущей эпохи О:^):
ар,сяс )=рРс ) - р ояс с*-1),
Ар,СЯС ) = Р^ЯС ) - Р^ЯС )•
4. Исходя из предположения о квазипостоянном характере погрешностей часов НКА, ионосферной и тропосферной задержек на интервале строятся вторые разности по времени вида:
-ДР щСк-'К-^-
М?;
(^к^ ^к 1).
УДрРс ) = ДрРс (1к)-Ар?НС )
" ДРщ «К Л-1)" |8р®С (Ч,)" 8р®С )
где 6 рснсш, 3 рснсш - остаточные погрешности измерения псевдодальности и псевдоскорости, соответственно, без учета ошибок опорного генератора приёмника ГНСС, погрешностей часов и эфемеридных данных НКА, тропосферных и ионосферных погрешностей; Лрснсм.(^Дк_1),
Ар
снс
м,
(1:к, - изменение псев до дальностей между эпохами за счет
изменения координат НКА и ТС для ьго и опорного НКА, соответственно; Арснсм.(^Дк_1), Дрснсм - изменение псевдоскоростей между
эпохами за счет изменения скорости движения НКА и ТС для ьго и опорного НКА, соответственно.
5. При наличии оценок остаточных погрешностей для опорного НКА на предыдущей эпохе возможно уточнение вторых разностей. Также учитываются прогнозы изменений между эпохами псевдодальностей и псевдоскоростей, полученные в блоках 12 и 14 по показаниям БИНС -
Левине ЛЛБИНС .
М' " М'
VЛyдfЯC(^_1) = УДА^Сь'*-!) + Ф™с(*к-1) -
-Ар™НС + -^РщНС ('к А- 1X
- А^ЯС + «к А- 1X
где 5 рснсш ^-1) и 5 Рснсш (^-1) ~ оценки погрешностей волновой структуры для опорного НКА, полученные на к-1 шаге работы оценивате-ля; 8 рснсШо О^к) и 8 рснсШо 0^) - прогноз оценок погрешностей для к-го
шага оценивателя.
Если г-й НКА, входит в группу «сопровождаемых», вторые разности могут быть дополнительно уточнены за счет оценки погрешностей псевдодальности и псевдоскорости волновой структуры этого спутника.
Таким образом, в первом приближении полученные уточненные вторые разности \7Лрснс1^кДк-1) и ^Др^^О^Дк-!.) содержат в себе разности погрешностей псевдодальностей и псевдоскоростей между эпохами
6. Завершающим этапом контроля приращений является сравнение полученных уточненных вторых разностей с порогом принятия решения о включении ьго НКА в группу «сопровождаемых» НКА, исходя из предположения о виде \7Лрснс1^кДк-1) и ^Дрснс^кДк-1)> как реализаций Га-уссовского случайного процесса:
1) проверка условия допуска на приращении псевдодальности на основе показаний БИНС:
где Ор.^кДк-!) = 06А,5ф1^кДк-1)+05ь1^кДк-1) + 0?нсак) + О^к-!); ^5Л,5ф( С^к' ^к-о.) - прогноз дисперсии (неопределенности) разности ЛрБИНСм.^кДк-1) п0 долготе и широте; 0§11.^кДк-1) ~ прогноз дисперсии
разности по высоте; 0[:нс(^),0[:нс(^-1) - дисперсия шумов приёмника при измерении псевдодальности;
2) проверка условия допуска на приращении псевдоскорости:
УА^ЯС< 3 • ^ О, 69
где
Dp^tk, tk_x) = D5vEj5vNi(tk'tk-i) + D5Vhi(tk,tk-i) + 2DVj; D5vE,5vNi(tk'tk-i) ~ прогноз дисперсии (неопределенности) разности ДрБИНСм (t^tk-i) по восточной и северной составляющим путевой скорости; D§Vh.(tk,tk_1) - прогноз дисперсии разности по вертикальной скорости; DVi « const - дисперсия шумов приёмника при измерении псевдоскорости, постоянная величина для большинства современных ГНСС приёмников (значение, как правило, указывается производителем).
Ввиду использования двухканального алгоритма БИНС вертикальные параметры (высота и вертикальная скорость ТС) оцениваются в оптимальном фильтре. Учитывая также малое изменение вертикальных параметров для ТС от эпохи к эпохе, делается предположение о некоррелированности ошибок оценок широты, долготы, горизонтальных проекций путевой скорости ТС с ошибками оценки вертикальных параметров.
Из-за коррелированности ошибок оценок на моменты времени tkHtk-! прогноз дисперсии разности 0§х>5ф((^Дк_1) будет некоторой функцией вида:
1)ёЛёф1 (*к>*к-1) = RDWHC (*к>*к-1 )ЩНС (fkJk-1 )]•
Чтобы вычислить D§^HC(tk,tk_1) и D§^HC(tk,tk_1) необходимо получить корреляционную матрицу C(tk, tk_1) между вектором ошибок прогноза погрешности оценок (£к — экстраполированной оценки) вектора прогноза состояния системы Хк и вектором ошибок оценок вектора состояния Хк_х (ёк_1) на предыдущую эпоху (t^). Для дискретного оптимального фильтра Калмана связь между ёк и ёк_1 имеет следующий вид [5]:
Щ = фк/к-1 ' + гк/к-1 • Щ-\>
где Фк/к_1 - стационарная переходная матрица, характеризующая динамическое состояние системы для дискретной формы записи фильтра Калмана; Гк/к_х - стационарная матрица связи для шумов системы в дискретной форме фильтра Калмана; оок_1 - вектор шумов системы - шумовых составляющих ошибок гироскопов и акселерометров (имеет вид несмещенного Гауссовского случайного процесса типа «белого шума»); Т - шаг дискретизации (Т — tk — tk-i).
Тогда матрица C(tk, tk_1) будет иметь вид:
C(tk,tk_l) = M[(£k-ёк_х),(ёк-ek_x)T] = Sk +Рк_1 +2М[£кУ ],
к-1
где Sk - априорная матрица ковариации для £к; Рк_х - апостериорная матрица ковариации для ёк_1;
М(ек,ё[_1) = Фк/к_1М[ёк_1У Л + Гк,к_хМ\_Щ_ъёТ ] = фк/к_грк_ъ
к-1 к-1
70
при условии некоррелированности вектора шумов системы ö)k_1 и ошибок оценок ёк_х на момент времени t^-i-
Отсюда, окончательно матрицу C(tk, tk_1) можно представить в виде:
C(tkJk-i) = Sk + Рк_х + 2 Фк,к-ХРк-Х =
= Фк!к-\Рк- 1ф1,ь Л +Гк,к_&ГТ +Рк_1+2Фк/к_1Рк_1 =
к/к—1 к/к—1
= Фк!к-\Рк- 1ф1,ь л +{E + 20klk_l)Pk_l+rklk_lQlrT
к/к—1 к/к—1
где Qx - определяется как M[ö5j, ö)jT] = Q^j, 6jj - символ Кронекера.
Для описания процедуры вычисления прогноза дисперсии разности DsA,Scpj(tk<tk-i) опишем вектор состояния, подлежащий оценке:
_т Г*1 ,х2,Х3,х4,а,ß,у,ÄQX,ÄQY,ÄQZ,,^Qy ,^Qz MxMY Anz,~ X [ ДА-/?Л., АКПу,LKny ,Sp(A?',öh,;MH(',Svß"HC',X'p
где AQX, AQy< A^z ~ проекции постоянных составляющих погрешностей ДУС на оси связанной системы координат; - ошибки
масштабных коэффициентов ДУС; Дпх, Дпу, Дп2 - постоянные составляющие ошибок акселерометров в проекции на оси связанной системы координат; ДКПХ, ДКпу, ДКП2 - ошибки масштабных коэффициентов акселерометров; х1;х2 - ошибки определения координат БИНС, связанные с ошибками определения долготы 8Х и широты 6ф, соответственно; х3,х4 - ошибки в определении скорости изменения координат БИНС, связанные с ошибками определения восточной 6VE и северной 6VN составляющих путевой скорости; а, ß, у - погрешности ориентации БИНС, обусловленные
РЦГ
дрейфами гироскопов [6]; брд" - погрешность измерения псевдодально-
• рцр
сти, вызванная уходом начальной фазы задающего генератора; брд" - погрешность измерения псевдоскорости, вызванная отличием частоты генератора приемника от номинальной; 6hBHHC - ошибка определения высоты; gyBHHC _ ошибка определения вертикальной скорости; Хр - вектор переменной размерности, включающий в себя параметры погрешностей измерения псевдодальностей и псевдоскоростей волновой структуры опорного НКА и группы «сопровождаемых» НКА.
Отсутствие вертикального канала в двухканальной БИНС приводит к необходимости использования в алгоритме БИНС информации о высоте и вертикальной скорости от внешнего источника. В основном режиме работы горизонтальных каналов ТС таким источником является приёмник ГНСС. Однако построение жесткосвязанной схемы комплексирования подразумевает отсутствие в приёмнике ГНСС навигационного решения, а, следовательно, отсутствие информации о текущей высоте и вертикальной скорости. Поэтому в состав вектора состояния включены ошибки определения высоты 6hBHHC и вертикальной скорости 6У^ИНС. Индекс «БИНС»
71
означает, что параметры обозначены как погрешности определения высот-но-скоростных параметров БИНС, однако фактически они являются погрешностями определения высотно-скоростных параметров приёмником ГНСС, используемых в алгоритме двухканальной БИНС. Таким образом, 611БИНС и бУцИНС можно рассматривать как погрешности определения высотно-скоростных параметров комплексной системы БИНС/ГНСС, построенной по разомкнутой схеме комплексирования. На базе оценок этих параметров могут быть получены текущие значения высоты и вертикальной скорости, используемые в алгоритме БИНС.
Для приведенного вектора состояния прогнозы дисперсии разности ОбуЕ,5УМ10*Дк-1) и 061М(1:к,1:к_1) будут иметь следующий
вид:
^рБИНС БИНС
В8Х,8ф[ (*к > *к-\) = ^БИНС ' *к~1 ^ + 1к~1 )2Д ) +
■л БИНС
+ '}фПИНС «к «к><к-1) + С«к,Ь-1 X 2 X
л - БИНС
дРг V тлБИНС<
dv£MHC ^Е
DSVE,SVm (fk Jk-1) = ^ т г БИНС ('к - (*к''*к-1) + С(*к > fk-1 >4,3 ) + -л-бинс
+ БИНС('к ^DfHC «к ><к-1) + С«к. h-l >4,3 X
Э Кд, SVN
}БИНС dh1
Эр
Döh (fkA-1) = ТТБЙНС (*к)С(*к>h-1 )l2,22>
^рБИНС
DSVh. (fkЛ-\) = 1БИНс ('к ^С(*к' 1к-\)23,23 > ÖVH
где C(tk,tk_1)j j - элементы матрицы ковариации коэффициен-
g БИНС арБИНС арБИНС ЗррИНС
ты (направляющие косинусы) д)^БШС Л/пБИНС (tk), лавине (tk), лавине (tk),
Q „БИНС дп™НС
я^бинс (tk), бинс (tk) вычисляются следующим образом (индекс момента
и П Н
времени (tk) далее опущен):
БИНС л г
C.W3 \ J?CHC „БИНС\
sm(*Emc) К. j
dp- 1
эя'гяяс = рбинс (Ä'+ ьбинс)^(Фбинс)
-cos (ЛБШС)(к™с-к^с1
Ър\
бинс
¿бинс
БИНС
дф ~~~ р, -аш (Я5яяс)«ЯС-^ЯЯС)^-
-~е2)со*(фБШС )
созашяс)«яс-^яяс)^-
(7?'+ + $ш(фБИНС)
ЭД'
1-е
3Фбинс
= 81п (Фбинс )(к '+ ьбинс ) ~ со<Фбинс )
ЭЛ'
5Фбинс
дЛ'
а ■ е
со КФбинс)- ^<Фбинс)
др?ИНС
3Фбинс (\-е2 ■ 8т2 (-сое(Фбинс)) 1
3/2
дуБИНС БИНС Рг
_КБИНСу
др?ШС 1
дУ$ИНС р БИНС I
+ш\(ЛБИНС) вт (Фбинс ) (
- * 1£ЯЯС) - сов(ЛБИНС)х
^(¿бинс ) ^(ФБИНС ) (- к
бинс |
-¡бинс |
дР;
бинс
-1
бинс
Эй
бинс
Р\
СО
+ 81П(Я£Ж/С)С08(^ЯЯС)1 <ЯС -
2/
бинс\
)
)
8Ь
бинс
л^БИНС
г г бинс дУн
-1
Рг
бинс
С0$(ЛБИНС) сое (ФБИНС )[к{НС ~Щ
бинс |
+
+
+
Ы<ЬИНС)™<ФБИНС)[&2НС-К2
*ЧФбинс)[^с - *з
бинс \
+
бинс |
бинс
Реализованный в блоке 15 алгоритм контроля позволяет выявлять скачкообразные и быстро нарастающие погрешности в определении псевдодальностей и псевдоскоростей. Однако, этот подход не позволяет выявить медленно нарастающие погрешности. Для выявления такого рода погрешностей предлагаемый алгоритм содержит оцениватель перестраи-
ваемой структуры на основе оптимального дискретного фильтра Калмана с использованием волнового представления погрешностей «сопровождаемых» и опорного НКА. Волновые составляющие погрешности определения псев до дальности бр™ и псевдоскорости бр™ для ьго НКА из группы «сопровождаемых» и опорного НКА представляются в виде:
5рГ = Ар, + а, ■ /, + Ь, ■ /Д
5р/ = Ар, + с, ■ /
где Др| - постоянная составляющая погрешности определения дальности; Др1 — постоянная составляющая погрешности определения псевдоскорости; Э[ - коэффициент линейной составляющей погрешности определения псевдодальности; - коэффициент квадратичной составляющей погрешности определения псев до дальности; С| - коэффициент линейной составляющей погрешности определения псевдоскорости; ^ - время с момента расширения вектора состояния за счет включения параметров волновых функций погрешностей ьго НКА.
Расширенный вектор состояния системы Хр в таком случае имеет
вид:
Хр -
...Др^^Др!,^
где 1 £ 1, (ш — 5) - количество НКА, в измерениях псев до дальностей до которых предположительно содержатся погрешности волновой структуры, превышающие заданный порог; ш - количество НКА рабочего созвездия; индекс о - обозначает опорный НКА.
Для обнаружения медленно нарастающих погрешностей используется предположение, что наличие среднего в невязках УДрСНС|(^, и \7Дрснс1(^^к_1) вызвано отличием от несмещенного Гауссова закона распределения остаточных погрешностей определения псевдодальностей и псевдоскоростей. Блоки 16-19 реализуют алгоритм перераспределения НКА по группам «рабочих», «сопровождаемых» и «исключенных» на основе проверки статистической гипотезы о равенстве нулю средних значений массива (кольцевых буферов) последних \7Дрснс1(^,^_1) и \7Дрснс1(^,^_1), где ] = к, к — с1, с1 - размер массива (число эпох измерений на основе которых осуществляется анализ гипотезы).
На основе группы «сопровождаемых» НКА в блоке 20 осуществляется перестройка вектора состояния Хр. В блоке 21 реализован дискретный стохастический фильтр Калмана, оценивающий описанный выше вектор сосостояния.
Предлагаемая схема построения комплексной системы с использованием волнового представления в описании погрешности определения псевдодальности и псевдоскорости НКА позволяет оценивать погрешности
74
и, при необходимости, исключать из решения до (ш — 4) НКА одновременно (ш - число НКА рабочего созвездия). Это ограничение определяется двумя факторами. Во-первых, минимальное количество НКА рабочего созвездия для функционирования фильтра без дополнительных ограничений на траекторию и поведение задающего генератора приёмника равно 4. Во-вторых, одновременная оценка параметров волновых функций для количества НКА, превышающего (ш — 4), приведёт к совместной наблюдаемости комбинации элементов вектора состояния вида. Если (1 > т — 4), то волновые погрешности псев до дальности аблю даются совместно с брд^с, а волновые погрешности псевдоскорости наблюдаются совместно с брд" .
Заключение. В статье приводятся результаты разработки алгоритмического обеспечения и функционального алгоритма навигационного комплекса ТС ИТС, обладающего повышенной помехозащищенностью в искажениям сигналов ГНСС, вызванных многолучевостью, возникающей в условиях городской застройки. Основной задачей, решенной в ходе разработки, явился синтеза комплексного алгоритма обнаружения и контроля искажений в измерениях псевдодальности и псевдоскорости на основе рекуррентного стохастического оценивателя. Ключевыми особенностью предложенного подхода к построению алгоритмического обеспечения навигационного комплекса стали включение в состав оцениваемого вектора состояния погрешностей измерения псевдодальности и псевдоскорости волновой структуры, а также допусковый контроль вторых разностей измерений псевдодальностей и псевдоскоростей между спутниками и соседними эпохами с использованием стапреподаваттистических характеристик. По результатам разработки указанного алгоритма можно сформулировать следующие замечания:
1. Невозможно изначально включить в расширенный вектор состояния коэффициенты волновой составляющей погрешности определения псевдодальностей и псевдоскоростей для всех НКА рабочего созвездия (в общем случае расширить вектор состояния для всех каналов слежения приёмника ГНСС);
2. Минимальное количество НКА, при котором возможно осуществлять функции обнаружения, оценивания погрешностей волновой структуры и их свойств, а также исключения НКА из решения при применении предлагаемого алгоритма равно 6, так как один НКА всегда выбирается как опорный.
3. Алгоритм позволяет одновременно контролировать значения погрешностей и их волновых и статистических свойств для (ш — 4) НКА, где in - количество НКА рабочего созвездия.
4. Для реализации алгоритма перестройки структуры фильтра необходимо реализовать функции обнаружения волновой составляющей в псевдодальностях и псевдоскоростях для каждого НКА, функции расширения вектора состояния, функции исключения из решения измерений
75
НКА превышающих заданный порог, функции контроля показаний исключенного ранее НКА (взятого на сопровождение) с целью включения его измерений в случае восстановления требуемых точностных.
5. Принятая модель волновых погрешностей кодовых измерений допускает смену (в общем случае не обязательно скачкообразную) вида возмущений волновой структуры уже на этапе оценки коэффициентов погрешности в оптимальном фильтре, что потребует перезапуск фильтра для волновых коэффициентов соответствующего НКА. А также потребует включение в состав алгоритма перестраиваемой структуры функции контроля изменения вида волновых возмущений.
Список литературы
1. A Portfolio Approach to NLOS and Multipath Mitigation in Dense Urban Areas / Groves P. D., Jiang Z., Rudi M. and Strode P. // Proc. ION GNSS+. 2013.
2. Леондес К.Т. Фильтрация и стохастическое управление в динамических системах. М.: Мир, 1980.
3. Диссертация на соискание ученой степени кандидата наук. Автор - Антонов Д.А. Режим доступа: http://www.mai.ru/ upload/iblock/35f/35fe336f42e485af52c8333aa1d1b4b6.pdf (дата обращения: 29.07.2016).
4. Навигационный комплекс аэропортового транспортного средства, Кузнецов И.М., Веремеенко К.К., Пронькин А.Н. [Электронный ресурс] // Журнал «Труды МАИ». Вып. № 47. Электрон., текстовые дан. Москва. 2011. Режим доступа: http://www.mai.ru/upload/iblock/a13/navigatsionnyy-kompleks-aeroportovogo-transportnogo-sredstva.pdf. (дата обращения: 01.08.2016).
5. Ривкин С.С., Ивановский Р.И., Костров А.В. Статистическая оптимизация навигационных систем. Л.: Судостроение, 1976.
6. Помыкаев И.И., Селезнев В.П., Дмитроченко Л.А. Навигационные приборы и системы. М.: Машиностроение, 1983.
Антонов Дмитрий Александрович, канд. техн. наук, научн. сотрудник, nio@mail.ru, Россия, Москва, Московский авиационный институт (НИУ),
Веремеенко Константин Константинович, канд. техн. наук, доц., nio@mail.ru, Россия, Москва, Московский авиационный институт (НИУ),
Жарков Максим Витальевич, ст. преподаватель, nio@mail.ru, Россия, Москва, Московский авиационный институт (НИУ),
Кузнецов Иван Михайлович, ст. преподаватель, nio@mail.ru, Россия, Москва, Московский авиационный институт (НИУ)
76
Информационно-измерительные и управляющие системы подвижных объектов ALGORITHMIC SUPPORT VEHICLE NA VIGA TION SYSTEM NOISE IMMUNITY
D.A. Antonov, K.K. Veremeyenko, M. V. Zharkov, I.M. Kuznetsov
This paper proposes an approach to the problem of improving the accuracy and premises-hozaschischennosti navigation support vehicle (TC), function-BID under the Intelligent Transportation System (ITS). It shows a generalized structure of the detection algorithm, control and elimination of signals of navigation satellites (NCA), Global Navigation Satellite Systems (GNSS), comprising multipath error. The results of the gap-processing mathematical apparatus, ensuring the implementation of this algo-rhythm.
Key words: intelligent transport system, integrated navigation system, GLONASS, multipath, the Kalman filter.
Antonov Dmitriy Aleksandrovich, Senior Lecturer, nio@mail.ru, Russia, Moscow, Moscow Aviation Institute (National Research University),
Veremeenko Konstantin Konstantinovich, candidate of technical science, docent, nio@,mail.ru, Russia, Moscow, Moscow Aviation Institute (National Research University),
Jarkov Maksim Vitalyevich, postgraduate student, senior lecturer, nio@,mail.ru, Russia, Moscow, Moscow Aviation Institute (National Research University),
Kuznetcov Ivan Mikhailovich, senior lecturer, nio@,mail.ru, Russia, Moscow, Moscow Aviation Institute (National Research University)
УДК 629.735.45:681.5
ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩАЯ СИСТЕМА ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ КРИТИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ ВХОДНОГО ВОЗДУШНОГО ТРАКТА ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩЕГО АГРЕГАТА С ПРИВОДОМ ОТ АВИАЦИОННОГО ДВИГАТЕЛЯ
С.В. Улыбин, В.М. Солдаткин
Раскрывается методика количественной оценки опасности функционирования входного воздушного тракта газоперекачивающего агрегата с помощью информативных функций и их использования в информационно-управляющей системе предупреждения критических режимов при построении команд управления и информационной поддержке оператора в нештатных ситуациях. Приведены структура и алгоритмы информационно-управляющей системы, дана оценка технической эффективности ее применения.
Ключевые слова: газоперекачивающий агрегат, авиационный двигатель, входной воздушный тракт, критические режимы, предупреждение, информационно-управляющая система, структура, алгоритмы управления, техническая эффективность.
Эффективность применения сложных автоматизированных технических объектов неразрывно связана с проблемой обеспечения безопасности их функционирования в условиях реальной эксплуатации, успешное
77
