Бортовой комплекс высокоточной навигации с корреляционно – экстремальной навигационной системой и цифровой картой рельефа местности Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

УДК 681.5.23

БОРТОВОЙ КОМПЛЕКС ВЫСОКОТОЧНОЙ НАВИГАЦИИ С КОРРЕЛЯЦИОННО -ЭКСТРЕМАЛЬНОЙ НАВИГАЦИОННОЙ СИСТЕМОЙ И ЦИФРОВОЙ КАРТОЙ РЕЛЬЕФА МЕСТНОСТИ А.И. Наумов, Е.К. Кичигин, И.А. Сафонов, Мох Ахмед Медани Ахмед Эламин

В статье рассматривается бортовой комплекс маневренного воздушного судна с корреляционно - экстремальной навигацией и цифровой картой местности маршрута полета. Комплексирование этих систем позволяет осуществить высокоточную навигацию воздушного судна с использованием высот рельефа местности, корректировать координаты местоположения воздушного судна, определяемые бортовой инерциальной навигационной системой, и выполнять огибание рельефа местности по высоте полета

Ключевые слова: корреляционно - экстремальная навигация, цифровая карта, поле высот рельефа местности

1. Корреляционно - экстремальная навигационная система

Автономным инерциальным системам управления, входящим в состав навигационного оборудования воздушного судна (ВС), присущи нарастающие во времени ошибки. Они обусловлены неточностью введения начальных условий, возникающей из-за неточного определения координат точки старта, неточной ориентации бесплатформенной (платформенной) инерци-альной системы, погрешностей измерителей (гироскопов, акселерометров), несовершенства применяемого алгоритма счисления навигационных координат.

В автономном полете погрешности инерци-альной системы и соответственно погрешности точности определения координат нарастают. Для обеспечения точности траектории полета необходимы периодические коррекции. Проведение таких коррекций на современном уровне развития техники может выполняться по результатам сопоставления измеренных параметров (реализаций) физических полей Земли, тонкая структура которых в районе запрограммированного маршрута полета известна и внесена в запоминающее устройство вычислительной системы [1].

В качестве одного из физических полей может быть использовано поле рельефа местно-

Наумов Александр Иванович - ЗАО «Гефест ИТ», канд. техн. наук, профессор, тел. (910) 459-84-08 Кичигин Евгений Константинович - ВУНЦ ВВС «Военновоздушная академия имени профессора Н.Е.Жуковского и Ю.А.Гагарина», канд. техн. наук, профессор, e-mail: kichigin92@yandex.ru

Сафонов Иван Александрович - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, e-mail: saff@inbox.ru

Мох Ахмед Медани Ахмед Эламин - ВУНЦ ВВС «Военно-воздушная академия имени профессора

Н.Е.Жуковского и Ю.А.Гагарина», адъюнкт,

тел. (952) 100-41-72

сти, которое является наиболее стабильным для коррекции координат.

Поясним принцип организации и проведения коррекции инерциальной системы и траектории полета объекта на примере использования поля высот рельефа местности (ВРМ). Навигация по полю ВРМ основана на косвенном измерении высоты рельефа местности на борту ЛА (как разности измерения абсолютной и геометрической высот полета) в текущей точке траектории и сравнении этого измерения с эталонной информацией о поле ВРМ. Для выполнения сравнения в бортовом вычислителе рассчитывается целевой функционал, отражающий корреляционную зависимость между измеренным и эталонным сигналами. Экстремум функционала соответствует искомому навигационному решению. В отечественной литературе и практических разработках, вследствие этих особенностей обработки информации, такие системы получили название корреляционно-экстремальных навигационных систем (КЭНС).

Одним из основных классификационных признаков КЭНС является тип алгоритма обработки рабочей информации в процессе сопоставления измеренных и эталонных сигналов. В соответствии с современной классификацией по алгоритмам обработки информации КЭНС подразделяются на эвристические, беспоисковые, поисковые, комбинированные и байесовские. Эвристические КЭНС непрерывного принципа действия были предложены профессором ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского (впоследствии академиком РАН) А.А. Красовским более 50 лет назад [1] и определили развитие теоретических и практических разработок в этой области на многие годы вперед. В настоящее время на практике чаще всего реализуются беспоисковые, поисковые, комбинированные и байесовские алгоритмы.

Беспоисковые КЭНС [1] опираются на применение фильтра Калмана в задаче оценивания ошибок счисленных координат при условии линеаризации поля ВРМ в окрестности счисленного местоположения и наблюдения разности между измеренным и картографическим значениями высот рельефа, и являются дальнейшим теоретическим развитием эвристических алгоритмов А.А. Красовского. Беспоисковым КЭНС присущи ограничения на допустимые начальные ошибки ИНС, но они характеризуются наименьшими требованиями вычислительных ресурсов БЦВМ при реализации и особенно эффективны в задачах многопараметрического оценивания.

Поисковые алгоритмы КЭНС строятся на основе теории статистических решений, были изначально предложены и получили свое развитие в работах профессора ВВИА им. Н.Е. Жуковского И.Н. Белоглазова и его учеников [1, 3]. Поисковые алгоритмы предполагают задание множества дискретных гипотез о возможных текущих навигационных ошибках; выполнении последовательного ряда измерений и определения той гипотезы, которая доставляет минимум целевому функционалу КЭНС, характеризующему степень близости измеренного профиля рельефа местности и эталонных профилей, рассчитанных в БЦВМ по карте в соответствии с принятыми гипотезами. В частности, при применении квадратичного функционала и поиске координатных ошибок алгоритм обработки рабочей информации реализуется через итерационный расчет (в процессе выполнения измерений рельефа местности) функционала вида

1, (т , п) = ]Г (Нк (х (11) + т А, £Ц!) + п А) - Н(11)),

- N < m < N , - N < n < N

(1)

где (х (^ ), Г (^ )) - счисленные координаты в

момент времени ^, ^, п) - индекс гипотезы, А -линейное расстояние между гипотезами, Н (11)

- измерение, НК(*,*) - эталонная карта ВРМ, с применением процедуры поиска его минимума:

(т*, п *) = argmin (15 (т, п)) .

( т,п)

Основной недостаток поисковых КЭНС -периодичность решения, после накопления S измерений.

Комбинированные КЭНС реализуют субо-птимальные алгоритмы, обладающие достоинствами беспоисковых и поисковых КЭНС и свободные от их основных недостатков. Теория

комбинированных КЭНС разработана И.Н. Бе-логлазовым [3].

Байесовские алгоритмы дают оптимальное решение задачи коррекции по измерениям ВРМ как нелинейной задачи фильтрации, однако потребные для их реализации вычислительные ресурсы и при сегодняшнем уровне развития вычислительной техники остаются не всегда реализуемыми. В то же время следует указать среди достоинств байесовских алгоритмов отсутствие ограничений на область сходимости и непрерывность процесса коррекции.

Общая структурная схема контура интеграции ИНС и КЭНС, поясняющая взаимодействие систем и измерителей, показана на рис. 1. Интегрированная система кроме ИНС, выдающей текущие координаты и, имеет блок памяти карты поля, вычислительное устройство и измерители поля ВРМ. Вычислитель реализует тот или иной алгоритм обработки рабочей информации КЭНС. После того как решение КЭНС получено, формируются оценки и соответствующие сигналы коррекции, которые поступают в ИНС. Цепь введения сигналов коррекции на рис. 1 показана в виде линии обратной связи [2].

Рис. 1. Структурная схема интеграции инерциальной навигационной системы и корреляционно -экстремальной системы навигации по полю рельефа местности

2. Бортовой комплекс высокоточной навигации

Особенностью построения предлагаемого бортового комплекса высокоточной навигации является максимально полное использование цифровой карты местности в интересах КЭЖ!, маловысотного полета, предотвращения столкновений с земной поверхностью и других задач [4]. С этой целью в состав бортового комплекса вводится Цифровая система описания земной поверхности ^M3), которая выполняет следующее множество функций (рис. 2):

=1

- организует доступ к цифровым данным о высоте рельефа местности и высотных препятствиях на маршруте полета;

- определяет истинную (геометрическую) высоту полета ВС;

- формирует выходные параметры ВС, на основании которых обеспечивается высокоточная навигация.

Система поддержки Автоматизированная

выполнения система планирования

полетных заданий заданий (уровень

ВВС авиабазы)

Цифровая система описания земной поверхности

Устройство Процессор Цифровая

памяти полетная

(ВЗУ) Прикладное карта

программное

обеспечение

Корреляционноэкстремальная навигация по рельефу местности

Система сигнализации и предупреждения о препятствии

Цифровая

карта

местности

База данных высоты полета и вертикальных препятствий

Система пассивного определения координат цели

Прогнозирующая система Система маловысотного

предупреждения столкновения полета по цифровой

с земной поверхностью карте

Рис. 2. Структурная схема бортового комплекса с КЭНС и цифровой картой местности на маршруте полета

получает доступ к цифровой полетной карте, чтобы «построить» местную модель ландшафта в окрестности текущих координат местоположения самолета. Тем самым обеспечивается информационная поддержка решения всех указанных выше задач: КЭНС, МВП, и др.

Прикладное программное обеспечение использует построенную модель ландшафта для решения различных функциональных задач ЦМЗ и формирования информационных сигналов о параметрах полета, сигналов предупреждения об опасности и речевых сообщениях.

Информационные сигналы выводятся на индикатор лобового стекла (ИЛС), речевой информатор (РИ), многофункциональный индикатор (МФИ) и индикатор ввода данных (ИВД), рис. 3.

о

с

3

3

к

л

С

Индикатор на лобовом стекле (ИЛС)

Речевой информатор (РИ)

Многофункциональный индикатор (МФИ)

Индикатор ввода данных (ИВД)

В состав цифровой системы описания земной поверхности включается: внешнее запоминающее устройство, цифровая полетная карта унифицированного формата, вычислительный модуль и прикладное программное обеспечение.

Съемное внешнее запоминающее устройство (ВЗУ) предназначено для хранения картографических данных большого объема.

Цифровая полетная карта содержит информацию поля ВРМ для района, площадь которого обеспечивает полет на максимальный боевой радиус ВС. Помимо значений ВРМ в ней хранятся данные о вертикальных препятствиях на маршруте полета: высотные башни, линии электропередачи, здания, лесные массивы, высота которых превышает заданное пороговое значение над земной поверхностью. Эти данные регулярно обновляются сертифицированным органом картографирования.

Формат цифровой карты местности предполагается унифицированным на уровне протокола данных и обеспечивается системами подготовки полетных данных

Процессор (вычислительный модуль) загружает прикладное программное обеспечение и

Рис. 3. Структурная схема прикладного программного обеспечения индикации режимов полета воздушного судна, предупреждения об опасных ситуациях и ввода данных

ЦМЗ обеспечивает выполнение пяти основных функциональных задач:

- корреляционно - экстремальная навигация по рельефу местности;

- предупреждение столкновения с земной поверхностью прогнозирующей системой;

- сигнализация и предупреждение о высотных препятствиях на маршруте полета ВС;

- маловысотный полет с огибанием рельефа местности по высоте (по цифровой карте);

- пассивное определение координат цели.

Принцип работы КЭНС рассмотрен ранее.

Необходимо отметить, что данная система определяет точные координаты местонахождения ВС относительно эталонной базы данных поля ВРМ, после чего корректируются координаты, определяемые инерциальной навигационной системой. При этом реализация данных (наблюдений) по высоте радиовысотомера кор-

релируется с информацией из бортовой базы данных (цифровой карты местности).

Предварительно при неопределенности горизонтального и вертикального положения ВС в автоматическом режиме проводится оценка точности горизонтальных координат местоположения (X, У ) и его вертикального положения Z . Анализируется достоверность полученных оценок и определяется показатель достоверности: «ВЫСОКИЙ», «СРЕДНИЙ» и «НИЗКИЙ» (табл.).

Для обеспечения анализа достоверности КЭНС имеет два режима работы: режим слежения и режим накопления информации. В режиме слежения КЭНС контролирует местонахождение ВС по картографической информации из базы данных. Данный режим - это реализация беспоискового алгоритма КЭНС в интерпретации А.А. Красовского и по существу -непрерывная калмановская коррекция по рельефу местности при малых начальных координатных ошибках навигационного комплекса (НК) и информативном рельефе.

КЭНС переходит в режим накопления информации в том случае, когда горизонтальная и/или вертикальная неопределенности превышают допустимые значения 200 м и 12 м, при полете над малоинформативным рельефом, а также при перезапуске ИНС. КЭНС становится недоступной для выполнения коррекции координат ВС при отказе ЦМЗ, превышении ограничений на параметры угловой ориентации ВС в полете и при нахождении ВС за пределами параметров рельефа цифровой карты или координат вне базы данных.

Режим накопления информации - это аналог поискового алгоритма КЭНС в интерпретации А.А. Красовского. Происходит накопление информации для анализа профиля полета. Алгоритм эффективно работает при больших начальных ошибках НК по координатам, но при этом требуется время на накопление значительного объема информации для принятия решения на проведение коррекции координат. Если в результате коррекции поискового алгоритма КЭНС точность НК достигает уровня ВЫСОКИЙ, КЭНС возвращается в режим слежения.

В случае невыполнения данного условия появляется сообщение на ИЛС о необходимости выполнения ручной коррекции координат ВС для изменения траектории полета относи-

тельно базы данных и восстановления режима слежения. Если КЭНС не выходит в режим слежения, летчику целесообразно (по возможности) некоторое время пилотировать ВС над сильно пересеченным ландшафтом. КЭНС возвращается в режим слежения при фиксации высокой достоверности в точности определения координат.

Особые ситуации полета ВС индицируются на ИЛС соответствующими сообщениями. При опасном сближении с земной поверхностью появляется сообщение «БЛИЗОСТЬ ЗЕМЛИ», а также речевое сообщение «ТЯНИ ВВЕРХ», которое указывает летчику о необходимости перемещения ручки управления на себя и увеличения высоты полета, то есть изменения траектории полета.

Выход ВС по координатам за границы, записанной на ВЗУ цифровой карты, сопровождается сообщением «ВНЕ КАРТЫ», которое автоматически снимается при возвращении ВС в закартографированную область. Предупреждающие сообщения появляются также в следующих случаях:

- при отказах отдельных систем НК;

- в случае сбоев в работе алгоритма МВП;

- при появлении вертикальных препятствий на маршруте полета впереди, слева или справа ВС, в случае их множества получение летчиком предупреждения только о самом высоком препятствии;

- при отказе радиовысотомера, а также во время маневрирования ВС на больших углах крена и тангажа, вследствие существенных ошибок измерения истинной (геометрической) высоты полета;

- предупреждающее сообщение БЛИЗОСТЬ ЗЕМЛИ за несколько секунд до прогнозируемого события, предсказывающее возможность пролета ВС на высоте ниже заданной.

Информационные и предупреждающие зрительные символы могут иметь разную форму: цифровая, шкала с оцифровкой и стрелками, кружочек, мелкий крестик, прямоугольник, мерцающий крест, треугольник, надпись и т. д.

Интегрированный бортовой комплекс, включающий КЭНС и цифровую карту местности на маршруте полета, позволяет реализовать высокоточный маловысотный полет при автоматическом управлении ВС с огибанием рельефа местности по высоте.

Показатель достоверности

№ п/п Неопределенность горизонтального положения Показатель достоверности оценки горизонтального положения Неопределенность вертикального положения Показатель достоверности оценки вертикального положения

1 0... 120 м ВЫСОКИИ м 0 ВЫСОКИИ

2 120...200 м СРЕДНИИ 6.12 м СРЕДНИИ

3 Более 200 м НИЗКИИ Более 12 м НИЗКИИ

Литература

1. Красовский А.А., Белоглазов И.Н., Чигин Г.П. Теория корреляционно - экстремальных навигационных систем. М.: Наука, 1979. 380 с.

2. Красовский А.А., Вавилов Ю.А., Сучков А.И. Системы автоматического управления летательных аппаратов. М.: ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, 1986. 478 с.

3. Белоглазов И.Н. Системы навигации и наведения по геофизическим полям. В кн.: Авиация ВВС России и научно-технический прогресс. Боевые комплексы и системы: вчера, сегодня, завтра. Под ред. Федосова Е.А. - М.: Дрофа, 2005. 250 с.

4. The pilot's guide F-16 A/B Mid-Life Update. Lok-cheed Martin, 1998. 112 с.

Воронежский государственный технический университет

Военный учебно-научный центр ВВС «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина», г. Воронеж ЗАО «Гефест ИТ», г. Жуковский, Московская область

THE AIRCRAFT ONBOARD COMPLEX OF ACCURATE NAVIGATION WITH TERRAIN REFERENCE NAVIGATION SYSTEM AND DIGITAL MAP TERRAIN ELEVATION DATA A.I. Naumov, E.K. Kichigin, I.A. Safonov, Moh Ahmed Medani Ahmed Elamin

The article dwells upon aircraft onboard complex with terrain reference navigation and digital flight map. Integration of these systems provides for the accurate navigation using digital terrain elevation, correct aircraft coordinate, calculated with inertial navigation system, and perform vertical obstacle avoidance

Key words: terrain reference navigation, digital map, terrain elevation