CC BY
38
УДК 528.837
DOI: 10.15587/2313-8416.2015.49183
ДОСЛ1ДЖЕННЯ СИСТЕМАТИЧНИХ ПОХИБОК IНЕРЦIАЛЬНОÏ НАВIГАЦIЙНОÏ СИСТЕМИ ПРИ АЕРОФОТОЗН1МАНН1 З БЕЗП1ЛОТНИХ Л1ТАЛЬНИХ АПАРАТ1В
© Р. В. Шульц, П. Д. Крельштейн, I. А. Малша
Виконано аналгз сучасного стану аерофотозтмання з використанням безпшотних лтальних апаратгв. Встановлено доцшьнкть використання мгтатюрних терщальних нав^ацшних систем. Побудовано комп 'ютерну модель мШатюрног електромехатчно1 iнерц1ально'1 нав1гац1йно1 системи. За допомогою розроблено'1 моделi виконано до^дження впливу систематичних похибок акселерометрiв та гiроскоniв на точнiсть визначення мiсцеположення терщальною нав^ащйною системою при аерофотозтмант з безпшотних лтальних апаратiв
Ключовi слова: безтлотний лтальний апарат, аерофотознiмання, терщальна нав^ацшна система, си-стематичний зсув акселерометра, систематичний зсув гiроскопа, точнкть мкцеположення
The analysis of the status of aerial photography using unmanned aerial vehicles was performed. The feasibility of the use of miniature inertial navigation systems is proved. The computer model of a miniature electromechanical inertial navigation system was built. With the help of the developed model study of systematic errors of accelerometers and gyroscopes for position accuracy inertial navigation system at aerial photography using unmanned aerial vehicles was carried out
Keywords: unmanned aerial vehicle, aerial photography, inertial navigation system, systematic shift of accel-erometer, systematic shift of gyroscope, position accuracy
ТЕХН1ЧН1 НАУКИ
1. Вступ
Останш 25 рошв у свт спостертаеться стайке шдвищення вимог до геопросторових даних. Ц вимо-ги в!^зняються м1ж собою однак загалом це бажання постшного шдвищення точносп та детальносп даних, шдвищення швидкосп збирання та зменшення вартос-п робгг. В традицшному варiантi з метою картографу-вання та створення Г1С-проекпв данi збиралися за допомогою традищйних наземних методiв, або аеро-фотознiмання. Наземнi технологи е складними та ене-ргоемними i не дуже пвдходять для швидкого та детального збирання та оновлення даних. З шшого боку при традицшному аерофотозшманш велика ввдстань ввд камери до об'екту не дозволяе ввдобразити повшс-тю всi його характеристики, а результата сильно зале-жать ввд погодних умов. Обидвi технологи е дорогими i як наслвдок не дуже падходять для частого оновлення даних. Великою популяршстю користуеться метод збирання даних за допомогою ГНСС (Глобальних на-виацшних супутникових систем). Однак такий метод е фактично продовженням традицiйного наземного зш-мання, оск1льки вимагае безпосереднього визначення кожно! точки i таким чином несуттево знижуе вартiсть робгг та затрати часу на збирання даних.
Альтернативою юнуючим методам збирання даних е використання технологш, яш в комплексi
використовують pi3Hi нав1гац1йн1 технологи та технологи дистанцiйного зондування. До таких технологш належить аерофотознiмання з використанням без-пiлотних лiтальних апаратiв (БПЛА). Найбiльша перевага цieï технологи це одночасне зниження вартос-ri та часу на збирання даних. У порiвняннi з аерофо-тозшманням, знiмальна апаратура БПЛА е значно простшою, вiдстанi знiмання меншими, а оператив-нiсть знiмання е значно вищою [1]. Одразу визначи-мо, що в подальшому, для аерофотозшмання ми бу-демо розглядати легш БПЛА, згiдно з класифiкацiею, що наведена у [2]. Звичайно аерофотозшмання з БПЛА мае своï недолши, наприклад низька точнiсть при великих висотах зшмання. Однак у багатьох проектах переваги БПЛА е бшьш суттевими в порiвняннi з недолжами. Аерофотознiмання з БПЛА забезпечуе точнiсть яко1 вимагають бiльшiсть робгг, насамперед топографiчне знiмання. Однак досягнення необхщно-го рГвня точносп е складним завданням. До основних проблем, що виникають при отриманнi даних, слад вiднести навiгацiйне забезпечення аерофотозшмання, осшльки навiгацiйний блок БПЛА представляе скла-дну систему з великою кшьшстю датчиков, яш мають абсолютно рГзну природу представлення iнформацiï. Наигашйне обладнання БПЛА може включати: ГНСС-апаратуру, барометричний датчик, магнiтний
компас, датчики нахилу, системи проскошв, системи акселерометр1в, шерщальну нав^ацшну систему (1НС). Найкращим вар1антом для аерофотозшмання з БПЛА е використання комплексованого нав^ацшно-го блоку ГНСС/1НС. Через високу варпсть та гром1з-дшсть точних шерщальних навтацшних систем, у БПЛА використовують мгтатюрт електромехашчш наыгацшш системи [3]. Ц 1НС мають беззаперечш переваги з позицш вартосп та габаритних розм1р1в. Проте точшсть таких шерщальних систем бажае кращого [4, 5]. Акселерометри та проскопи, що вхо-дять до складу мшатюрних наыгацшних систем мають низьку вим1рювальну точшсть. Оск1льки визна-чення мюцеположення та ор1ентацИ у простор! 1НС базуеться на подвшному штегруванш вим1ряних прискорень та штегруванш кутових швидкостей, то навть незначш похибки на початку штегрування з часом зростають дуже швидко. Для корегування по-хибок 1НС використовують два шдходи:
- дослщження конкретно! модел1 1НС та побу-дова математичних залежностей, що описують похи-бки системи;
- корегування 1НС через певш штервали часу з використанням даних ГНСС.
Перший пвдхщ придатний для високоточних 1НС, для яких похибки е стабшьними i не зм1нюють-ся протягом тривалого часу. Для дешевих 1НС рацю-нальним е використання ГНСС для перюдичного ко-ригування. Вибiр iнтервалу, через який виконуеться коригування 1НС залежить в!д того, як швидко нако-пичуються систематичнi похибки i чи достатньою е точшсть 1НС у iнтервалах мiж коригуванням. Врештi в!д цього залежить з якою точнiстю буде визначено положення БПЛА i положения та орiентацiя аерофото-знiмального обладнання на ньому. Тому актуальним е завдання дослвдження систематичних похибок 1НС та встановлення на основi таких дослвджень iнтервалiв коригування 1НС з використанням ГНСС.
2. Аналiз лiтературних даних та постановка проблеми
Особливо! популярносп недороп, мiнiатюрнi 1НС набули на в кшщ 90-х рокiв ХХ ст., при ство-реннi систем для наыгацп рухомих об'ектiв на по-верхнi Землi. Вiдмiтимо одразу, що з математично! та технолопчно! точки зору 1НС для нави-ацп на по-верхнi Землi та навтаци у повiтряному просторi не вiдрiзияються мiж собою. Загальнi рекомендаций, що-до використання 1НС при зшманш з БПЛА викладенi в робот [6].
1НС можна розглядати без конкретного зазна-чення сфери застосування (наземна, морська або по-виряна навiгацiя), оскшьки принцип функцiонувания 1НС не змшюеться. З цих позицiй сл!д вадмиити роботу виконану в ушверситеп Калгарi (Канада) E.-H. Shin [7]. Дослвдження направленi якраз в сферу розробки 1НС для наземного використання на основi iнтегрувания низько точних 1НС та ГНСС. Важливим в пращ [7] е розробка ново! методики калiбрування систематичних похибок низькоточних 1НС. Загалом робота лише шдтверджуе вже вiдомi факти. Бiльш серйозш дослвдження виконаиi в роботi [8], де о^м
вже ведомо! методики корегування систематичних похибок, запропоновано додатков! вдосконалення методики оброблення !нформац!! штегровано! системи 1НС та ГНСС. Пропонуеться включення до оброблення додаткових штучних обмежень на коли-вання швидкост! руху транспортного засобу. Також запропоновано орипнальний ф!льтр для обчислення поправок в показання 1НС. Результати роботи стосу-ються нав!гац!! об'екпв т!льки в режим! реального часу ! в!дсутн! рекомендац!! при використанш ре-зультат!в в режим! камерального оброблення. Питан-ня досл!дження точносп дешевих 1НС та !х систематичних похибок представлене в робот! С. M. EUum [9]. Однак вщсутнш загальний п!дх!д до розрахунку точност!. За запропонованими автором методиками неможливо виконати розрахунок точност! роботи 1НС. Важливо в!дм!тити прац! А. O. Salytcheva, М. С. Багрово! [10, 11], що присвячеш розробщ систем на основ! недорогих МЕМС (Мжро електроме-хан!чних систем). Нажаль запропонован! системи призначен! для виршення задач нав!гац!! лише в режим! реального часу. Загалом в Ушверситеп Калгар! (Канада) вже бшьше 20-ти рок!в функц!онуе потужна наукова школа з проблем дослщження 1НС та !х ште-грування з !ншими нав!гац!йними засобами та системами. Вс роботи вчених присвячеш використанню 1НС для наземно! наыгаци.
Вчен! Ун!верситету Огайо (США) С. ^ Toth, D. A. Grejner-Brzezinska [12] працюють над розроб-кою систем 1НС/ГНСС, для потреб не лише наземних користувач!в а й аерозшмання. Запропонований авторами комплекс мютить апаратуру ГНСС, для виключення систематичних похибок та точну 1НС, що в!дбиваеться на вартосп комплексу, його доступ-ност! та ваз!, що робить його непридатним для легких БПЛА, що використовуються при аерофотозшманш.
Спроби досл!дження систематичних похибок 1НС були виконан! вичизняними вченими [13]. Завдання виршувалось для нав!гац!! наземного об'екту, пльки для системи г!роскоп!чних датчик!в.
На сьогодшшнш день досл!дження дешевих, мшатюрних 1НС, що побудован! за принципом МЕМС, в контекст! !х використання для БПЛА ввд-сутн!. Вщом! роботи досл!джують 1НС [1, 3, 6, 14], не як самостшний вим!рювальний зас!б, а як до-пом!жний зас!б при аерофотозн!манн!.
Як ми рашше зазначали дешев! 1НС, побудован! за принципом МЕМС технологш, в!др!зняються дуже високою швидшстю накопичення систематичних похибок. Водночас так! 1НС е найсучасн!шим напрямком у розвитку нав!гац!йних технолог!й. Тому природно, що !снуе значна кшьшсть проблем в екс-плуатац!! таких систем. Анал!з л!тературних джерел показуе, що при аерофотозшманш з БПЛА проблема дослщження впливу систематичних похибок 1НС е вкрай важливим ! недостатньо досл!дженим питаниям на сьогодшшнш день.
3. Цшь та задачi досл1дження
Проблему досягнення необхщно! точност! ви-значення м!сцеположення БПЛА з використанням 1НС можна розд!лити на дв! окрем! складов!: моде-
лювання систематичних похибок вим1рювань 1НС та ощнка похибок визначення мюцеположення 1НС. Метою представлено! роботи е дослвдження систематичних похибок 1НС шляхом математичного моде-лювання. Для досягнення вказано! мети пропонуеться реал1зувати наступн етапи:
- використовуючи математичну модель 1НС розробити комп'ютерну модель функцюнування 1НС;
- прийнявши задан модел1 систематичних похибок вим1рювань 1НС виконати моделювання роботи системи та отримати нав1гац1йн1 ршення у вигляд1 координат мюцеположення БПЛА;
- маючи еталонн даш, без впливу систематичних похибок, ощнити величини похибок визначення мюцеположення БПЛА за допомогою 1НС.
4. Методи i моделi досл1дження систематичних похибок шерщально'! нав^ацшноТ системи при аерофотозшманш з безпiлотних лiтальних апара™
4. 1. Пiдходи до нав1гаци при аерофотозш-маннi з безпiлотних лiтальних апарамв
При аерофотозшманн1 з БПЛА постае задача визначення просторово! ор1ентацп апарату, оск1льки вш е нос1ем цифрово! камери. Необхщним е визначення трьох складових вектору мюцеположення та трьох кут1в ор1ентацп в залежносп в1д прийнято! системи в1длшу. В даний час активно розвиваеться тех-нолопя сум1сного використання шерщальних та су-путникових наыгацшних систем 1НС/ГНСС.
Супутникова наыгацшна система дозволяе з бшьш високою точшстю визначати координати м1с-цеположення та лнтт швидкосп об'екта, шж 1НС. У зв'язку з цим роль шерщально! системи при навь гацшному забезпеченн в загальному випадку зво-
4. 2. Основнi системи координат та коорди-натш перетворення в шерщальнш навмацП, яК с необхвдними при дослiдженнi 1НС
Основш координатн системи, що використо-вуються в шерщальнш навтацп включають [8, 16, 17]: робочу шерщальну систему (ьсистема); стандар-тну земну систему (з-система); локальну горизонта-льну нав1гацшну систему (н-система); систему коор-
диться до визначення навтацшних параметр1в на штервалах м1ж сусщтми вим1рами приймача супут-никово! наыгацп або ршенню задач ор1ентаци та видач1 навтацшно! шформаци в моменти ввдсутносп супутникового радюсигналу. 1ншими словами, в1д шерщально! системи вимагаеться тшьки короткочас-на точшсть визначення наыгацшних параметр1в. Тому останшм часом особливу увагу придшяють мож-ливосп комплексування ГНСС з шерщальними при-ладами низького та середнього клас1в точность Це суттево скорочуе матер1альн1 затрати на дороп шер-щальт системи.
Традицшно для ршення задач нашгаци на борту об'екту реал1зуеться нашгацшна система координат. МЕМС ввдносяться до класу безплатформенних 1НС [4, 15]. У такому випадку образ нашгацшного тригран-ника реал1зуеться в обчислювальному блощ за реаль-ними показаннями чуттевих елеменпв (проскотв 1 ак-селерометр1в) 1 мае назву «розрахунково! платформи» [16]. Через власн похибки акселерометрш та проскошв у склада шерщально! системи «розрахункова платформам» ствпадае з нашгацшною системою координат з точнстю до малих купв розходження [17].
Точшсть вим1рювань 1НС можна суттево шд-вищити використовуючи позицшну та швидк1сну шформацш ГНСС. Ефективне сум1сне використання двох систем обумовлене р1зними характеристиками, що приведет у табл. 1.
Даш табл. 1 вказують на необхщшсть досль дження систематично! складово! похибок 1НС. При умов1 ведомого закону накопичення систематичних похибок 1НС шдвищуеться ефектившсть корегування 1НС за допомогою ГНСС. В1дтак визначення м1сце-положення та ор1ентаци БПЛА мае стаб1льну точшсть 1 високу надшшсть.
динат тша (т-система). Дамо основн визначення та математичш зв'язки м1ж системами координат [8]. Робоча ¡нерцгальна система (¡-система) Важливють ще! системи полягае в тому що кь нематичш модеда використан при побудов1 систем, що використовують в якост1 датчиков визначення координат акселерометри та проскопи базуються на законах мехашки Ньютона яш встановлюються в си-
Таблиця 1
Порiвняльнi характеристики 1НС та ГНСС_
Система Переваги Недолiки
1НС 1. Повна автономшсть. 2. Висока частота видачi наыгацшно1 шформаци ввд 20 Гц до 200 Гц. 3. Похибки пов№но змшюються в часi, мають коливаль-ний характер, не шддаються впливу зовшшшх факторiв. 4. Можливiсть вимiрювання купв орieнтацü. 1. Точшсть визначення наыгацшних параметр1в ввдносно невисока. 2. Похибки у визначенш координат на-копичуються з часом. 3. Складна та достатньо дорога система.
ГНСС 1. Висока точнiсть визначення нав^ацшних параметрiв (2^20 см у диференцшному режимi при вимiрюваннi за фазою несучо! частоти). 2. Незалежшсть похибок у визначеннi навiгацiйних пара-метрiв ввд часу. 3. Малi габарити та вага. 4. Вщносно дешева апаратура. 1. Система неавтономна. 2. Низька частота видач1 навтацшно! шформаци ввд 1 Гц до 10 Гц. 3. Точшсть нав1гащйних вим1р1в зале-жить в1д стану атмосфери, суз1р'я су-путник1в та зовн1шн1х перешкод для антени.
стем^ що рухаеться без прискорень i не обертаеться. Вимiрювання виконат гiроскопами та акселерометрами ввдносяться до ще! системи. Початок шерщаль-но! системи знаходиться в ^mpi мас Зeмлi, вiсь X напрямлена в напрямку точки весняного рiвнодeння, вiсь Z - паралельна до миттево! осi обертання Зeмлi, вюь Y - доповнюе систему до право! (рис. 1).
Стандартна земна геоцентрична система (з-система)
Початок земно! системи в ^mpi мас Земл^ вюь X напрямлена в напрямку середнього положення Гринвщького мeридiану, вюь Z - паралельна серед-нiй осi обертання Зeмлi, вюь Y - доповнюе систему до право!. Зауважимо, що строго кажучи вюь z з-системи i i-системи не одне i те саме. Однак при при-йнятих наближеннях вони спiвпадають i двi системи вiдрiзняються тiльки на постшну кутову швидк1сть, що дорiвнюе середнш швидкостi обертання Зeмлi навколо спшьно! осi. Система WGS-84 яка викори-стана в GPS е одшею з рeалiзацiй стандартно! земно! системи. Мюцепо-ложення БПЛА звичайно
даеться в з-систeмi, яка представлена Декартовими координатами (X, Y, Z) або криволшшними координатами (B, L, H) ввдносно центру мас Землг
Локальна горизонтальна навггацтна система (н-система)
Початок локально! системи знаходиться в початку системи координат сенсору, вюь Y - доповнюе систему до право!, вюь Z - ортогональна до рефе-ренц-елшсо!ду направлена вниз, вюь X - вказуе на-прямок на геодезичну Швшч, тобто швшчний на-прямок геодезичного мeридiану. н-система е рeалiза-щею системи Швтч, Схiд, Вниз. Швидкють БПЛА звичайно даеться в цш систем!.
кут курсу), що необхвдт для зв'язку вектору в т-систем1 з вектором в н-систем1 в тш сам1й точц1 простору. Визначення кутав ор1ентацй представлене на рис. 2.
Рис. 2. Визначення кутав орiентацi!
Переход ввд т-системи в н-систему виконують за допомогою матрица
Щ =
cos у cos 9 - sin у cos ф + cos у sin 9 sin ф sin у sin ф + cos V sin 9 cos ф sin ycos 9 cos у cos ф + sin у sin 9 sin ф - cos у sin ф + sin у sin9 cos ф
- sin 9
cos 9 sin ф
cos 9 cos ф
(1)
а зворотне перетворення знаходять, як:
П32
Ф = arctan—;
П
0 = arcsin (-П31) = arctan
П21
w = arctan-.
W Пц
-П
л/П
32 +П2з
(2)
Зв'язок мiж н-системою координат та з-системою можна встановити використовуючи понят-тя переносно! швидкостi, яке зрозумше з рис. 3.
Рис. 1. Основш системи координат
Система координат тша (т-система) Система координат тала е ортогональна система, орiентування осей яко! е довшьним вщносно Зeмлi. Спосiб встановлення системи е довшьним, вона може бути як правосторонньою так i лгвосторонньою. Часто встановлюеться таким шляхом, щоб реалзувати осi 1НС, що встановлена на БПЛА, як вперед X, трансвер-сально Y та вниз Z. Орiенгування БПЛА встановлюеться трьома кутами (ф - кут крену, 9 - кут тангажу, V -
Рис. 3. Зв'язок мiж земною та навиацшною системами координат
Переносна швидкють Пнзн - змша положення навиацшно! н-системи ввдносно земно! геоцентрич-но! системи з-системи i може бути обчислена як:
й". =
( LcosB л
-В -LsinB
N + H
VN
м+н
VEtgB N + H
(3)
де B, L, H - геодезичш координати: vE, vN - схiдна та niBHi4Ha складовi швидкостц M, N - радiуси кривини земного елшсовда. Зв'язок мiж змшною навiгацiйною системою та орieнтацieю ïï осей можна реалiзувати за допомогою земноï геоцентрич-ноï системи. Це реалiзуeться двома послiдовними обертами, що мютять геодезичнi координати. Зага-льний поворот i3 з-системи в н-систему задаеться матрицею:
пн
f-sinßcosL - sin BsinL cosß ^
-sinL cosL 0
-cosßcosL -cosßsinL -sinß
(4)
Наведен вирази (1)-(4) е базовими при розро-бленн математичних моделей функцюнування 1НС. Вони будуть використан в подальшому при створен-т комп'ютерно! модел1 функцюнування 1НС.
4. 3. Теоретичнi основи функцюнування шерщальних нав^ацшних систем
Для функцюнування 1НС юнуе велика шль-шсть р1зних вар1антш обчислення наигацшних пара-метр1в [8, 16]. Для дослщжень руху БПЛА найб1льш доцшьно обрати схему мехашзацп 1НС, що реал1зо-вана в наигащйнш систем1 координат [8]. Р1вняння обчислення нав1гацшних параметр1в у матричнш форм1 мають наступний вигляд [8]:
П"
D-1 • vн
П™ • ат -(2ii™ + ii"H)х vH + у™
(5)
У приведених рiвняннях прийнятi наступнi по-значення:
Г 0 ï
пз
(
п = пн п
m3cosß 0
Л
v-œ3 sinß у
пн
( LcosB ^ -В -LsmB
N + H
VN
М + Н
VEtgß
N + H
(
пн = пн + Щ =
m cosß + -
N + H
M + H -m sinß -
VEtgß
N + H
(
D-1 =
1
M + H 0
( N+H ) cosß
0
-1
В р1вняннях вище: - швидшсть обертання Земл1, а - вектор прискорення, що вим1ряний акселерометром в т-систем1, Д - вектор кутових швид-
костей, вим1ряний проскопом, (2Д", + Дн )х -вектор поправок за вплив Кориолюова та вщцентро-вого прискорення, ун - вектор прискорення нормально! сили тяжшня.
У виразах верхнш 1ндекс вказуе на систему координат, в якш представлено параметри, а нижнш показуе вихвдну систему координат. Для кутових швидкостей, нижнш шдекс показуе вщносно яких, двох систем координат ввдбуваеться обертання.
Процедура обчислень 1НС залежить в1д вибору системи координат в якш реал1зована 1НС. Обчислю-вальна модель 1НС, що реал1зована в наигацшнш систем1 координат представлена на рис. 4. Обчислення в такш схем1 виконують за р1вняннями (5).
Рис. 4. Обчислювальна модель 1НС
0
у
Як вщомо основными вим!рювальними елеме-нтами 1НС е проскошчш датчики та акселерометри. Ц елементи е джерелом специф1чних похибок, що залежать вщ !х конструкци. Тому для подальшого моделювання важливим е прийняття правильно! мо-дел1 похибок ИС.
4. 4. Моделi похибок шерщальних мав^а-ц1йми\ систем
Загальне р1вняння вим1рювання прискорення у матричн1й форм1 для тр1ади акселерометр1в яке да-еться в джерелах [16, 17] мае вид:
а = а+5а+Ьа+^+у + &у + £а, або в розгорнутому вигляд1
ах ах Ьах
аг = аг + 5aY +
а7 а7 baz
hX ДТ -ДТ hY Д© -ДФ
-Д© ДФ hZ
~ах'
aY +
_ az _
-уSin© уСв^БтФ уСо'©Со'Ф
5Ух eax
+ 5Уу + е a.r
_У _ _ eaz _
(6)
де а - вектор вимфяного прискорення; а - вектор щеального прискорення; 5а - вектор зсуву акселерометру; И - матриця, що представляе л1н1йну скла-дову масштабного коефщенту; N - матриця, що представляе не ортогональшсть осей акселерометр1в; у - вектор прискорення нормально! сили тяжшня;
5у - вектор вар1ащ! прискорення нормально! сили тяжшня; £а - вектор шуму.
Загальне р1вняння вим1рювання кутово! швид-кост1 у матричн1й форм1 для тр1ади г1роскоп1в яке даеться в джерелах [16, 17] мае вид:
о) = о) + ос) + hto + Nco + £.,
або
(bx 5<ax
&>Y = CÜ7 + 5%
щ coz 5%z
" hx ДТ -Д©" % x" е%х
+ -ДТ hY ДФ + e%Y
Д© -ДФ hz %z _ _ e%z _
(7)
де со - вектор вимфяно! кутово! швидкост1; со -вектор щеально! кутово! швидкост1; 5ю - вектор зсуву г1роскопу; И - матриця, що представляе ма-сштабн1 коеф1ц1енти г1роскопу; N - матриця, що представляе не ортогональшсть тр1ади проскоп-п1в; £ю - вектор шум1в вим1рювання кутово! швидкостг
Випадков1 та систематичн1 похибки акселеро-метр1в та г1роскоп1в можна представити використо-вуючи р1вняння (6) та (7).
Звичайно випадкова складова представляе суму бшого шуму та додаткових компонента
е = ег + гс + гг + гд + erf,
де п'ять компоненлв визначають шуми: бший, ко-реляц1йний, випадковий ух1д, квантування та трем-т1ння в1дпов1дно. У виконаному досл1дженн1 ми не розглядали випадкову складову похибок вим1-рювань.
Для демонстрацп розроблено! нами методики дослщження, ми прийняли до розгляду т1льки два типи систематичних похибок, це вщхилення або зсув акселерометр1в 1 г1роскоп1в та взаемна неортогональ-н1сть !х в1сей.
5. Результата дослщжемь систематичних похибок iмерцiальмоl мав^ацшмоТ системи при аеро-фотозншашм з безпiлотми\ лiтальми\ амарамв
Як зазначалося у постановочн1й частин1, шдхщ до досл1дження систематичних похибок 1НС базуеть-ся на дослвдженш конкретних зразшв 1НС. Отриман1 при дослвдженнях дан1 пор1внюють з 1деальними за-водськими показниками. В нашому випадку пропо-нуеться п1ти 1ншим шляхом. Використавши матема-тичну модель ми створили модель 1НС до яко! включен! на вход! можлив! джерела похибок. Моделювання роботи 1НС виконано в програш Matlab Simulink. Нашою метою е оц!нка визначення координат по трьох координатних осях.
За ввдомими даними [4, 5, 14, 15], величини систематичних похибок були прийнят! в1дпов!дно до табл. 2.
На рис. 5 представлено розроблену структурну модель 1НС в програш МаНаЬ Simulink.
При дослвдженш роботи 1НС прийнято прямо-лшшну у горизонтальн!й площин! траектор!ю руху БПЛА (рис. 6).
У вертикальнш площин! прийнято модель руху !з поступовим зниженням, як показано на рис. 7.
Таблиця 2
Основш систематичнi похибки 1НС
+
+
Тип Величина
Ввдхилення акселерометрiв 5a 50 ^g, 100 ^g, 150 ^g, 250 ^g, 500 ^g (1 ^g=9.81x10-Vc2)
Не ортогональшсть акселерометрiв та ripocKoniB Д 10"
Зсув ripocKoniB 5ю 1°/год, 1,5°/год, 2°/год, 2,5°/год 5°/год
X _о о -О о >н г м -О о
JT3 .Q JT3 .Q JT3
-о -о -о
О о
о о о
T
x
т о5 Е X о5 £ >н о5 Е
ja
Ja Ja
Г
Рис. 5. Структурна модель 1НС створена в системi Matlab Simulink
Рис. 6. Проекщя траекторп БПЛА у горизонтальнiй площиш XOY
Рис. 7. Проекцiя траекторп БПЛА у вертикальнiй площинi XOZ
Рух БПЛА на якому встановлено 1НС прийнято р1вном1рним, i3 постшною швидк1стю 80 км/год.
При дослвдженш було створено m-файл, який одночасно запускав моделювання роботи двох 1НС, з впливом систематичних похибок i без. Пiдчас моделювання автоматично одночасно утворювались рiз-нищ координат мiсцеположення мiж двома 1НС. Pi3-ницi координат отримано для трьох всiй X, Y, Z. Всього було виконано 15 модельних пусшв 1НС. П'ять пускав було виконано i3 припущенням, що похибки проскошв вiдсутнi, а похибки акселерометрiв послвдовно приймають значения 50 ^g, 100 ^g, 150 ^g, 250 ^g, 500 ^g. Наступш п'ять пуск1в 1НС було виконано iз припущенням, що похибки акселе-рометрiв вiдсутнi, а похибки проскошв послщовно приймають значення 1°/год, 1,5°/год, 2°/год, 2,5°/год, 5°/год. Метою цих дослвджень було встановити вплив окремо вплив проскошв та акселерометрiв.
Остаточно було виконано п'ять варiаитiв дос-лвджень, якi передбачали наявнiсть систематичних похибок проскошв i акселерометрiв у наступних варiантах: варiант 1-50 ^/1°/год; варiант 2 -100 ^/1,5°/год; варiаит 3 - 150 ^/2°/год; варiаит 4 -250 ^/2,5°/год; варiаит 5 - 500 ^/5°/год. 1нтервал роботи 1НС прийнято рiвним 2 хв.
Представимо результати дослщження впливу систематичних похибок на точшсть роботи МЕМС 1НС. Використаемо характеристики ИС з табл. 2. Найбшьш зручно представити поведiнку похибок в графiчному виглядi.
Визначимо вплив систематичних похибок прискорень та кутових швидкостей на точнiсть мю-цеположення вздовж осi X. Отриманi похибки мюце-положення наведено на рис. 8-11.
риманi похибки мiсцеположення наведено на рис. 12-15.
Рис. 8. Накопичення систематичних похибок акселерометрiв 1НС, вiсь X
При частотi отримання рiшень вiд ГНСС 1 Гц в середиш iнтервалу похибки координат вздовж оа X не перевищуе 0,015 м.
Визначимо вплив систематичних похибок на точнiсть мiсцеположення вздовж оа Y. От-
Рис. 9. Накопичення систематичних похибок гiроскопiв 1НС, вiсь X
Рис. 10. Накопичення систематичних похибок 1НС за сумюний вплив акселерометрiв i гiроскопiв, вюь X
Рис. 11. Накопичення систематичних похибок 1НС за сумiсний вплив акселерометрiв i гiроскопiв на iнтервалi 2 сек., вiсь X
Рис. 12. Накопичення систематичних похибок акселерометрiв 1НС, вiсь Y
Рис. 15. Накопичення систематичних похибок 1НС за сумюний вплив акселерометрiв i проскошв на iнтервалi 2 сек., вюь Y
Рис. 13. Накопичення систематичних похибок проскошв 1НС, вюь Y
250 -
200 --
5 150
R
1 100 ..■••''
Час, сек
-BapiaHTl — BapiaHT2 — • BapiaHi3
--BapiaHT-l......BapiaHT5
Рис. 14. Накопичення систематичних похибок 1НС за сумюний вплив акселерометрiв i гiроскопiв на штерват 2 хв., вiсь Y
При частот отримання рiшень вщ ГНСС 1 Гц в середиш iнтервалу похибки координат вздовж оа Y не перевищуе 0,02 м.
Визначимо вплив систематичних похибок на точнiсть мiсцеположения вздовж оа Z. Отримaнi похибки мiсцеположення наведено на рис. 16-19.
Рис. 16. Накопичення систематичних похибок aкселерометрiв ИС, вюь Z
I
1-150
-200 --\
-250
Час, сек
-l°/h--1.5°/h - • -2°/h — 2.5°/h ......5°/h
Рис. 17. Накопичення систематичних похибок проскошв 1НС, вiсь Z
При частой отримання рiшень вщ ГНСС 1 Гц в середиш шгервалу похибки координат вздовж оа Z не перевищуе 0,02 м.
Загалом з результaтiв моделювання очевидно, що МЕМС 1НС не може бути використана, як основне джерело навтацшно1 iнформaцiï при ввд-сутностi постiйноï корекцiï вщ ГНСС. Вже через 30 сек вщхилення фактичного мiсцеположення
БПЛА вщ iстинного перевищують 10 м по кожнш з координатных осей.
Рис. 18. Накопичення систематичних похибок 1НС за сумiсний вплив акселерометрiв i гiроскопiв на iнтервалi 2 хв., вiсь Z
Рис. 19. Накопичення систематичних похибок 1НС за сум1сний вплив акселерометр1в 1 проскошв на штервал 2 сек., вюь Ъ
6. Аналiз результат дослiдження систематичних похибок шерщальноТ нав^ацшноТ системи при аерофотознiманнi з безпшотних лiтальних апаратiв
Для виконання анал1зу отриманих результата необхщно з'ясувати, яким чином систематичн похибки 1НС впливають на похибки визначення координат за матер1алами аерофотозшмання з БПЛА. Най-бшьш лопчним е визначити якими е допустим! похибки 1 пор1вняти !х з отриманими за результатами мо-делювання 1НС.
В геодезп прийнято вважати, що якщо похибка окремого джерела не перевищуе 1/5 величини зага-льно1' похибки, то ïï впливом можна знехтувати. При цьому у фотограмметрiï розглядають очiкуванi змь щення точок у масштабi аерофотозшмка. В такому випадку ми можемо записати:
5,
^ 1
5 "
де 5Х ,5у ,5,
хшс 1ШС Zih
5,-
15; 5 ';
^5
* 15, H 5 р '
(8)
- похибки визначення координат
1НС (за результатами моделювання); 5х,5у,5р = 5г -
похибки вим1рювання координат 1 паралакс1в на зш-мку; т - масштаб фотографування (при фокус 50 мм та висот1 200 м = 4000); р - повздовжнш па-ралакс (при перекритп 80 % поперечний паралакс дор1внюватиме 19 м - 5 мм в масштаб! зшмка).
Якщо прийняти масштабний ряд топограф1ч-них плашв 1:500, 1:1000, 1:2000, 1:5000, то нормати-вну похибку у визначенн положення визначають:
5X ,5y =
0,4 х M
42
(9)
де M - масштаб топографiчного плану.
Для визначення допустимо!' похибки по висоп використовують вираз
5, = — h . Z 3
(10)
де h - висота перерiзу рельефу топографiчного плану, яку приймемо для вказаних масштабiв 0,5 м, 1,0 м, 1,0 м, 2,0 м.
Використовуючи вказаш вище значення за ви-разами (9-10) розрахуемо допустимi змщення точок. Далi за виразами (8) розраховуемо допустимi змь щення точок на зшмку та змiщення точок на зшмку викликанi максимальними систематичними похибка-ми 1НС на iнтервалi у 2 секунди (варiант 5). В1д до-пустимих змiщень переходимо до величин, якими можна знехтувати i щ величини порiвнюемо з систематичними похибками 1НС.
Виконаш таким чином розрахунки зведемо до таблиць. У табл. 3 наведено розрахунки допустимих та оч^ваних змщень точок на аерофотознiмку в плаш у напрямку осi X.
Таблиця 3
Порiвняльний аналiз допустимих та розрахованих похибок 1НС (вiсь X)
Масштаб плану Похибка в плаш 5 X , м Похибка в плаш в масштабi аеро-фотозшмку Ъх, мм ( 0,25 ^ мм) Похибки визначення координат 1НС 5Х на аерофотознiмку, мм на iнтервалi 2 сек
500 0,14 0,035 (0,007) 0,013
1000 0,28 0,070 (0,014) 0,013
2000 0,57 0,140 (0,028) 0,013
5000 1,43 0,350 (0,070) 0,013
m
m
У табл. 4 наведено розрахунки допустимых та оч1куваних змщень точок на аерофотозшмку в плаш у напрямку ос Y.
У табл. 5 наведено розрахунки допустимих та оч1куваних змщень точок на аерофотозшмку по ви-соп у напрямку оа Z.
Порiвняльний аналiз допустимих та
Пор1вняемо отриман при моделюванш ре-зультати 1з допустимими. Якщо вважати, що ГНСС працюе з частотою 1 Гц 1 дозволяе визначати коор-динати з точшстю 0,02-0,03 м в план та 0,5-0,6 м по висот1, то 1НС щлком дозволяе визначити з необхщ-ною точшстю положення БПЛА в штервалах м1ж ГНСС-вим1рюваннями. В такому випадку вщпадае необхщшсть у виконанш штерполяцп мюцеположен-ня БПЛА м1ж двома епохами ГНСС-вим1рювань. На штервал1 спостережень у 2 секунди 1НС може бути використана при створенш топограф1чних плашв масштабу 1:1000 з перер1зом рельефу 1 м 1 др1бшше. Так1 результати в1дпов1дають найпршш за точшстю 1НС, що мае систематичний зсув акселеромет-р1в/проскошв - 500 ^/5°/год. При використанш 1НС з систематичним зсувом акселерометр1в/проскошв -100 ^/1,5°/год, точшсть системи е достатньою для створення топограф1чних плашв масштабу 1:500 з перер1зом 0,5 м.
7. Висновки
В робот1 представлено дослщження система-тичних похибок 1НС при виконанн1 аерофотозшман-ня з БПЛА. Дослщження виконано методом матема-тичного моделювання роботи шерщально! нашгацш-но! системи. Для цього було розроблено структурну модель 1НС в програмному середовищ1 МайаЬ Simulink, яка дозволяе без виконання великого об'ему польових дослщжень моделювати вплив р1з-них похибок 1НС. За результатами анал1зу юнуючих
моделей систематичних похибок вим1рювань 1НС було обрано найпроспшу модель накопичення сис-тематичних похибок та виконано моделювання робо-ти системи з отриманням навпацшних ршень у ви-гляд1 координат мюцеположення БПЛА. Оцшку точ-носл визначення мюцеположення БПЛА було виконано через пор1вняння щеально! модели без систематичних похибок, 1з спо-твореною впливом систематичних похибок моделлю. В результат викона-ного дослвдження вдалося ощнити ве-личини похибок визначення мюцепо-ложення БПЛА за допомогою 1НС.
Анал1з отриманих похибок було виконано через пор1вняння !х з норма-тивними вимогами до створення топо-граф1чних плашв за матер1алами аеро-фотозшмання. Доведено, що 1НС по-будоваш на баз1 МЕМС-технологп за-^ безпечують БПЛА навпацшною шфо-рмащею необхщно! точносп, в штер-валах мгж ГНСС-вим1рюваннями, яка е достатньою для топограф1чних робгг в крупних масштабах.
Складшсть сучасних 1НС вима-гае б1льш детального i всеб1чного дос-лщження. Вiдмiтимо, що низько точнi 1НС окрiм систематичних похибок, мають шшу характерну особливiсть, це високий рiвень шумiв на входi системи. Завдяки розробленiй нами структурой моделi ми маемо можливiсть дос-лвдити окремо вплив шумiв при ввдсутносп систематичних похибок. Актуальним е питания визначення iнтервалу в межах якого вплив випадково! та систематично! складово! е практично однаковим. Але най-бiльш важливим е подальше дослiджения швидкостi накопичення похибок у кутовш орiентацi! та визна-ченнi мiсцеположення при рiзних швидкостях руху лiтального апарату та рiзних прискореннях, як1 мають мкце при русi лiтального апарату у неоднорщ-ному повiтряному середовищг Таким чином постае завдання цшого комплексу подальших дослiджень, як1 будуть викладенi у наступних публiкацiях.
Лггература
1. Ai, M. A Robust Photogrammetric Processing Method of Low-Altitude UAV Images [Text] / M. Ai, Q. Hu, J. Li, M. Wang, H. Yuan, S. Wang // Remote Sensing. - 2015. -Vol. 7, Issue 3. - Р. 2302-2333. doi: 10.3390/rs70302302
2. Митрахович, М. М. Беспилотные летательные аппараты: Методика сравнительной оценки боевых возможностей [Текст] / М. М. Митрахович, В. И. Силков,
A. В. Самков, Х. В. Бурштынская и др.; под об. ред.
B. И. Силкова. - К.: ЦНИИ ВВТ ВС Украины, 2012. - 288 с.
3. Colomina, I. Unmanned aerial systems for photo-grammetry and remote sensing: A review [Text] / I. Colomina, P. Molina // ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing. - 2014. - Vol. 92 - Р. 79-97. doi: 10.1015/ j.isprsjprs.2014.02.013
4. Бекмачев, А. МЭМС-гироскопы и акселерометры Silicon Sensing: английские традиции, японские технологии [Текст] / А. Бекмачев // Компоненты и технологии. -2014. - № 4. - С. 18-26.
Таблиця 4
Порiвняльний аналiз допустимих та розрахованих похибок 1НС (вюь Y)_
Масштаб плану Похибка в плаш 5У, м Похибка в плаш в ма-сштабi аерофотозшмку 5 , мм (0,25^ , мм) Похибки визначення координат 1НС 5У на аерофотозшмку, мм на iнтервалi 2 сек
500 0,14 0,035 (0,007) 0,016
1000 0,28 0,070 (0,014) 0,016
2000 0,57 0,140 (0,028) 0,016
5000 1,43 0,350 (0,070) 0,016
розрахованих похибок 1НС (вюь Z)
Масштаб плану Похибка по висот 5г (перерiз), м Похибка по висоп в масштабi аерофотозшмку 5Z, мм (0,25г, мм) Похибки визначення координат 1НС 5, на аерофотозшмку, мм на iнтервалi 2 сек
500 0,17 (0,5) 0,004 (0,0008) 0,0013
1000 0,33 (1,0) 0,008 (0,0016) 0,0013
2000 0,33 (1,0) 0,008 (0,0016) 0,0013
5000 0,67 (2,0) 0,017 (0,0032) 0,0013
5. Желтова, Н. Н. Применение микромеханических гироскопов в навигационных системах [Текст] / Н. Н. Желтова, В. И. Обухов // Труды Нижегородского государственного технического университета им. Р. Е. Алексеева. -2015. - № 1 (108). - С. 269-273.
6. Secrets of UAV photomapping [Electronic resource] / Available at: http://s3.amazonaws.com/DroneMapper_US/do-cumentation/pteryx-mapping-secrets.pdf
7. Shin, E.-H. Estimation Techniques for Low Cost In-ertial Navigation [Text]: a thesis for the degree doctor of philosophy / E.-H. Shin. - Calgary, 2005. - 206 p.
8. Abdel-Hamid, W. Accuracy Enhancement of Integrated MEMS-IMU/GPS Systems for Land Vehicular Navigation Applications [Text]: a thesis for the degree doctor of philosophy / W. Abdel-Hamid. - Calgary, 2005. - 232 p.
9. Ellum, C. M. The Development of a Backpack Mobile Mapping System [Text]: a thesis for the degree of master of science / C. M. Ellum. - Calgary, 2001. - 172 p.
10. Salytcheva, A. O. Medium Accuracy INS/GPS Integration in Various GPS Environments [Text]: a thesis for the degree of master of science / A. O. Salytcheva. - Calgary, 2004. - 247 p.
11. Багрова, М. С. Алгоритмы комплексирования инерциального блока низкого класса точности и системы спутниковой навигации [Текст]: автореф. дис. ... кандидата техн. наук: 05.11.03 / М. С. Багрова. - МГТУ им. Н.Э. Баумана. - М., 2001. - 17 с.
12. Grejner-Brzezinska, D. A. High-Accuracy Direct Aerial Platform Orientation with Tightly Coupled GPS/INS System [Text]: / D. A. Grejner-Brzezinska, C. K. Toth. - Ohio Department of Transportation, Office of Aerial Engineering, Federal Highway Administration, 2004.
13. 1ванов, В. Оцшка впливу власного дрейфу оа проскопа на точшсть визначення координат наземного рухомого об'екта [Текст] / В. 1ванов, В. Корольов, Б. Олш-рнж // Сучасш досягнення геодезично! науки та виробниц-тва. - 2005. - Вип. II. - С. 22-25.
14. Сысоева, С. Тенденции рынка High-end МЭМС-датчиков инерции. Новые уровни характеристик и исполнения [Текст] / С. Сысоева // Компоненты и технологии. -2014. - № 6. - С. 40-46.
15. Дмитриенко, А. Г. Об исследовании возможности создания инерциальных модулей на основе отечественных технологий объемной микромеханики [Текст] / А. Г. Дмитриенко, А. А. Папко, С. И. Торгашин, И. В. Ки-рянина // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. - 2013. - № 3 (5). - С. 45-53.
16. Biezad, D. J. Integrated Navigation and Guidance System [Text] / D. J. Biezad. - Reston: American Institute of Aeronautics and Astronautics, 1999. - 242 p. doi: 10.2514/4.861994
17. Бромберг, П. В. Теория инерциальных систем навигации [Текст] / П. В. Бромберг. - М.: Наука, 1979. - 296 с.
References
1. Ai, M., Hu, Q., Li, J., Wang, M., Yuan, H., Wang, S. (2015). A Robust Photogrammetric Processing Method of Low-Altitude UAV Images. Remote Sensing, 7 (3), 2302-2333. doi: 10.3390/rs70302302
2. Mitrahovich, M. M., Silkov, V. I., Samkov, A. V., Burshtynskaja, H. V. et. al; Silkova V. I. (Ed.) (2012). Bespilotnyie letatelnyie apparatyi: Metodika sravnitelnoy otsenki boevyih vozmozhnostey [Unmanned Aerial Vehicles:
Methods of comparative assessment of the combat capabilities]. Kyiv: TsNII VVT VS Ukrainy, 288.
3. Colomina, I., Molina, P. (2014). Unmanned aerial systems for photogrammetry and remote sensing: A review. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, 92, 79-97. doi: 10.1015/j.isprsjprs.2014.02.013
4. Bekmachev, A. (2014). MEMS-giroskopyi i akse-lerometryi Silicon Sensing: angliyskie traditsii, yaponskie tehnologii [MEMS gyroscopes and accelerometers Silicon Sensing: the British tradition, the Japanese technology]. Journal Components and Technologies, 4, 18-26.
5. Zheltova, N. N., Obuhov, V. I. (2015). Primenenie mikromehanicheskih giroskopov v navigatsionnyih sistemah [Application of micromechanical gyroscopes for navigation systems]. Proceedings of the Alekseev Nizhny Novgorod State Technical University, 1 (108), 269-273.
6. Secrets of UAV photomapping. Available at: http://s3.amazonaws.com/DroneMapper_US/documentation/pteryx mapping-secrets.pdf
7. Shin, E.-H. (2005). Estimation Techniques for Low Cost Inertial Navigation. Calgary, 206.
8. Abdel-Hamid, W. (2005). Accuracy Enhancement of Integrated MEMS-IMU/GPS Systems for Land Vehicular Navigation Applications. Calgary, 232.
9. Ellum, C. M. (2001). The Development of a Backpack Mobile Mapping System. Calgary, 172.
10. Salytcheva, A. O. (2004). Medium Accuracy INS/GPS Integration in Various GPS Environments. Calgary, 247.
11. Bagrova, M. S. (2001). Algoritmyi kompleksi-rovaniya inertsialnogo bloka nizkogo klassa tochnosti i sistemyi sputnikovoy navigatsii [Algorithms aggregation inertial unit low grade accuracy and satellite navigation systems]. Bauman Moscow State Technical University. Moscow, 17.
12. Grejner-Brzezinska D. A., Toth, C. K. (2004). High-Accuracy Direct Aerial Platform Orientation with Tightly Coupled GPS/INS System. Project, Ohio Department of Transportation, Office of Aerial Engineering, Federal Highway Administration.
13. Ivanov, V., Korol'ov, V., Oliyarnik, B. (2005). Ocinka vply'vu vlasnogo drejfu osi giroskopa na tochnisf vy'znachennya koordy'nat nazemnogo ruxomogo ob'yekta [Assessing the impact of its own axis gyro drift on accuracy of coordinates of ground moving object]. Modern achievements of geodetic science and industry, II, 22-25.
14. Syisoeva, S. (2014). Tendentsii ryinka High-end MEMS-datchikov inertsii. Novyie urovni harakteristik i ispolneniya [Trends High-end MEMS inertial sensors. New levels of performance and characteristics]. Journal Components and Technologies, 6, 40-46.
15. Dmitrienko, A. G., Papko, A. A., Torgashin, S. I., Kiryanina, I. V. (2013). Ob issledovanii vozmozhnosti sozda-niya inertsialnyih moduley na osnove otechestvennyih teh-nologiy ob'emnoy mikromehaniki [On the investigation of the possibility of creating inertial modules based on domestic technology bulk micromechanics]. Measurement. Monitoring. Management. Control, 3 (5), 45-53.
16. Biezad, D. J. (1999). Integrated Navigation and Guidance Systems. Reston: American Institute of Aeronautics and Astronautics, 242. doi: 10.2514/4.861994
17. Bromberg, P. V. (1979). Teoriya inertsialnyih sistem navigatsii [Theory of inertial navigation systems]. Moscow: Nauka, 296.
Дата надходженнярукопису 25.08.2015
Шульц Роман Володимирович, доктор техшчних наук, професор, декан факультету Г1С i управлшня територгями, кафедра шженерно геодези, Кшвський нацюнальний ушверситет будiвництва i архггектури, пр. Повирофлотський, 31, м. Кшв, Украша, 03680 E-mail: r-schultz@mail.ru
Крельштейн Петр Давидович, доцент, кандидат техшчних наук, кафедра землеустрою i кадастру, Ки-!вський нацiональний ушверситет будiвництва i архiтектури, пр. Повирофлотський, 31, м. Кшв, Украша, 03680
Малша 1рина Анатолй'вна, кандидат техшчних наук, кафедра шженерно! геодезiï, Одеська державна академiя будiвництва i архтгектури, вул. Дiдрiхсона, 4, м. Одеса, Украша, 65029
УДК 629.612436
DOI: 10.15587/2313-8416.2015.49339
АНАЛ1З ЕФЕКТИВНОСТ1 СУЧАСНИХ ТА ПЕРСПЕКТИВНИХ МЕТОД1В I ЗАСОБ1В ЗНИЖЕННЯ ШК1ДЛИВИХ ВИКИД1В АВТОМОБ1ЛЬНОГО ТРАНСПОРТУ
© В. П. Юдш, А. М. Каплуновська, О. В. Тарасенко, Г. А. Золотарев
У cmammi розглянуто стан забруднення атмосфери штдливими викидами автотранспорту, еволюцiя ïx нормування в Свропейському союзi, причини вiдставання за нормами викидiв автотранспорту в Украïнi; проаналiзованi конструктивы, оргатзацшт та контролюючi заходи щодо зменшення рiвня шюдливих викидiв; представленi нестандартнi пропозици по взаемодИ' власниюв автотранспортних засобiв з кон-тролюючими органами; позитивний досвiд Запоргзького регiону
Ключовi слова: екологiя, навколишне середовище, автотранспорт, бензин, дизельне паливо, викиди, нормування, контроль, зниження, заходи
The article studies the degree of atmosphere pollution with automobile transport exhaust gases, the evolution of their rating in the European Union, and the reasons why Ukrainian automobile transport exhaust gases lag behind in meeting emission standards. Constructive, organizational, and regulating techniques aimed at reducing the amount of exhaust gases are analyzed; non-standard propositions concerning cooperation of motor vehicle owners and regulatory authorities are offered; the examples of successful practices employed in Zaporizhia region are given
Keywords: ecology, environment, automobile transport, petrol, diesel fuel, emissions, limitation, regulation, reduction, technique
1. Вступ
Роль автомобш у житл сучасно! людини по-стшно зростае. Автомобшь став символом якост життя. За станом на початок 2015 року автомобшь-ний парк свиу перевищив 1 мрд одиниць, в тому числ1 в Укра!ш наближаеться до 10 млн. Неухильне зростання чисельносп автомобшв сприяе розвитку негативних еколопчних фактор1в, перш за все, погь ршенню атмосферного повиря. Ця загальнолюдська проблема примушуе вчених 1 виробниыв автомобь льних транспортних засоб1в шукати як глобальш, так 1 тимчасов1 методи 1 засоби зниження шюдливих викид1в у вщпрацьованих газах автомобшьних двигушв.
2. Аналз лггературних даних про нормування шквдливих викидш автотранспорту
У далекому вже 1992 рощ кра!ни £вросоюзу ввели на сво!й територп першу норму £вро-1 £ЕК ООН, яка встановлювала гранично-допустимий вм1ст токсичних речовин у вщпрацьованих газах автомобь л1в. На протяз1 кожних наступних 4-5 рок1в £вросо-юз неухильно посилював щ норми. Наприкшщ 2015 року у £врош плануеться введення до ди нормативу £вро-6. Перш за все, йдеться про вмют монооксиду вуглецю (СО), вуглеводшв (НС), оксид1в азоту (N0) та твердих частинок [1-3].
Ретельний анал1з динашки зниження норм шкь дливих викид1в за 23 роки в!д £вро-1 до £вро-6 пока-зуе, що по дизельним двигунам норми виквдв знизи-лись у 5-6 раз1в, по бензиновим двигунам - у 2,02,5 рази, а по твердим частинкам РМ (саж1) у дизел1в -в 28 раз1в (!). Саме щ частинки можуть бути нолями онколопчно небезпечного бенз(а)трену [2, 4].
На цей час дизельш автомобш у £вросоюз1 складають бшьше 50 % уах нових автомобшв 1 саме вони е основними джерелами забруднення оксидами азоту. Слад в1дм1тити, що за даними £ЕК ООН реальний р1вень шыдливих викид1в автомобшв з дизельними двигунами при переход! з £вро -3 на £вро-6 знизився лише на 40 %. Тому £ЕК ООН готуе зараз покращену процедуру сертифжа-ци нових автотранспортних засоб1в, зпдно з яко! з 2017 року автовиробники будуть зобов'язан окр1м заводських 1 стендових випробувань проводити реальш дорожн випробовування з використанням сучасно! портативно! системи вим!рювання ви-кид!в [5].
Б!льш!сть в!тчизняних (в тому числ! росшсь-ких) автомобшв у в1щ понад 20 рошв ледве ввд-пов!дають нормам £вро-2 по ДСТУ 4276-04 ! ДСТУ 4277-04 [6, 7]. З 1-го ачня 2014 року в УкраЫ були введен! норми викид!в на р!вш стандарту £вро-4, який д!е у £вросоюз! з 2005 року.
