Научная статья на тему 'ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ПОСАДКИ НА ОСНОВЕ РАДИОТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ЛОКАЛЬНОЙ НАВИГАЦИИ ДЛЯ БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА'

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ПОСАДКИ НА ОСНОВЕ РАДИОТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ЛОКАЛЬНОЙ НАВИГАЦИИ ДЛЯ БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
161
42
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОЙ ПОСАДКИ / РАДИОТЕХНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЛОКАЛЬНОЙ НАВИГАЦИИ / ЛОКАЛЬНАЯ НАВИГАЦИЯ / РАДИОТЕХНИЧЕСКАЯ ДАЛЬНОМЕРНАЯ СИСТЕМА

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Щербинин Виктор Викторович, Кветкин Георгий Алексеевич, Ажгиревич Игорь Леонидович, Измайлов-перкин Александр Викторович

Рассмотрены экспериментальные (натурные) исследования системы автоматической посадки на основе РТСЛН, применяемой на беспилотном летательном аппарате отечественного производства. В ходе экспериментов выполнена отладка программно-алгоритмического обеспечения системы автоматической посадки, проанализированы точностные характеристики. Приведены графики, характеризующие точность системы автоматической посадки. Экспериментальные исследования подтвердили выполнение требований к системе автоматической посадки на основе РТСЛН по точности на этапах захода на посадку, движения по глиссаде, посадки и пробежки по ВПП БЛА.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Щербинин Виктор Викторович, Кветкин Георгий Алексеевич, Ажгиревич Игорь Леонидович, Измайлов-перкин Александр Викторович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

EXPERIMENTAL RESEARCH OF THE ACCURACY OF THE UAV AUTOMATIC LANDING SYSTEM BASED ON THE RADIO-TECHNICAL SYSTEM FOR LOCAL NAVIGATION

This paper presents the results of full-scale testing of the automatic landing system based on the Radio-Technical System for Local Navigation designed for a Russian-made UAV. Software and hardware monitoring during the tests allowed for accuracy analysis of the system, proving that it satisfies the requirements for such a system during approach, landing and taxiing on the runway.

Текст научной работы на тему «ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ПОСАДКИ НА ОСНОВЕ РАДИОТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ЛОКАЛЬНОЙ НАВИГАЦИИ ДЛЯ БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА»

УДК 629.7.05 DOI: 10.24412/2071-6168-2021-7-80-88

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ПОСАДКИ НА ОСНОВЕ РАДИОТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ЛОКАЛЬНОЙ НАВИГАЦИИ ДЛЯ БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА

В.В. Щербинин, Г.А. Кветкин, И.Л. Ажгиревич, А.В. Измайлов-Перкин

Рассмотрены экспериментальные (натурные) исследования системы автоматической посадки на основе РТСЛН, применяемой на беспилотном летательном аппарате отечественного производства. В ходе экспериментов выполнена отладка программно-алгоритмического обеспечения системы автоматической посадки, проанализированы точностные характеристики. Приведены графики, характеризующие точность системы автоматической посадки. Экспериментальные исследования подтвердили выполнение требований к системе автоматической посадки на основе РТСЛН по точности на этапах захода на посадку, движения по глиссаде, посадки и пробежки по ВПП БЛА.

Ключевые слова: система автоматической посадки, радиотехническая система локальной навигации, локальная навигация, радиотехническая дальномерная система.

В АО «ЦНИИАГ» с 2015 года ведется работа по созданию системы автоматизированной/автоматической посадки летательных аппаратов (ЛА) на основе радиотехнической системы локальной навигации (РТСЛН) [1 -5]. До 2017 года работа была направлена на автоматизацию посадки пилотируемых ЛА [6 - 9]. С 2017 года начались работы над системой автоматической посадки (САП) на основе РТЛСН для беспилотных ЛА (БЛА).

Для отладки САП в части программно-алгоритмического обеспечения был разработан программно-аппаратный комплекс имитационного моделирования САП БЛА, представленный в работе [10], который позволяет существенно расширить возможности отладки программного обеспечения САП как навигационных алгоритмов, так и алгоритмов управления. Ошумление измерительной информации, моделирование её пропадания позволяют проводить работу по адаптации САУ к реальным условиям работы при камеральной обработке экспериментальных данных и снижают нагрузку на лётную отработку системы.

Для экспериментальной отработки САП на основе РТСЛН для БЛА был разработан технологический комплекс отработки САП (далее технологический комплекс). Структура технологического комплекса и схема его применения на этапе предварительных испытаний представлены на рис.1.

Основными целями создания технологического комплекса являлись:

- оценка точностных характеристик САП на этапах захода на посадку, движения по глиссаде, посадки и пробежки по ВПП;

- оценка корректности работы алгоритмов фильтрации и навигации;

- оценка стабильности частоты информационного обмена и корректности информационных пакетов, направляемых в информационно-управляющую систему БЛА.

Рис. 1. Структура технологического комплекса и схема его применения на этапе предварительных испытаний

Основным элементом технологического комплекса является РТСЛН, как ключевая подсистема САП.

БИНС технологического комплекса основана на инерциальном измерительном блоке АИСТ-350, построенном на базе микромеханических акселерометров и датчиков угловой скорости. При этом алгоритм БИНС реализован в вычислителе САП, в качестве вычислителя используется Fastwel CPC-307. Система воздушных сигналов технологического комплекса основана на микробарометре Bosch BMP-280, который обладает достаточной относительной точностью [4] для определения высоты замеренного при предполетной выставке уровня на ВПП. На малых высотах при посадке для определения геометрической высоты используется лазерный дальномер ДЛ-8.

Для удобства эксплуатации технологического комплекса инерци-альный измерительный блок, радиоэлектронный модуль РТСЛН и вычислитель САП были объединены в формат моноблочного корпуса.

Экспериментальные исследования САП на основе РТСЛН проводились на самолете-лаборатории Cessna-172 (рис. 2), который является наиболее близким по динамическим характеристикам пилотируемым ЛА к целевому БЛА.

Рис. 2. Самолет-лаборатория на базе СеББпа-172

Монтаж моноблока САП в самолете-лаборатории на базе Cessna-172 приведен на рис. 3. Размещение моноблока на установочной площадке выполнено в месте, наиболее близком к ребру жесткости ЛА, для исключения влияния дополнительных вибраций на инерциальный измерительный блок.

Рис. 3. Бортовой моноблок и система воздушных сигналов САП на самолете-лаборатории Се88па-172

Наземный сегмент оборудования представляет собой наземные радиомаяки (НРМ) РТСЛН, размещенные на мачтах высотой 11 м (рис. 4). Установка НРМ на мачту необходима для обеспечения прямой видимости между НРМ и бортовой антенной на всей траектории захода на посадку, движения по глиссаде, посадки и пробежки по ВПП с учетом наличия в области установки наземного сегмента оборудования аэродромных построек, воздушных судов и заборов. Ввиду особенностей аэродрома, где проводились испытания, на местности были установлены только 6 из 8 рекомендуемых НРМ (рис. 5).

В конфигурационном файле САП регистрируются координаты НРС, точек посадки в локальной географической системе координат, курс захода на посадку и угол наклона глиссады.

Рис. 4. Размещение НРМ РТСЛН на местности

Е, м

Рис. 5. Конфигурация НРМ при проведении экспериментальных

исследований на аэродроме

Задачей пилота в ходе проведения экспериментальных исследований было выдерживание требуемой траектории захода на посадку, которая соответствовала траектории захода на посадку целевого БЛА, по показаниям пилотажно-навигационного комплекса самолета (по курсоглиссадной системе ILS).

В ходе проведения экспериментальных исследований наблюдались неблагоприятные метеорологические условия:

- температура на аэродроме плюс 6 °C;

- атмосферное давление на уровне ВПП 752 мм рт. ст.;

- пасмурно, временами дождь.

83

Анализ точностных характеристик навигационного решения САП будем рассматривать на примере одного из заходов на посадку, выполненного в ходе экспериментальных исследований. На рис. 6 приведена траектория полета воздушного судна во время эксперимента по данным системы эталонирования, навигационного решения (НР) БИНС, комплексного навигационного решения БИНС и РТСЛН в локальной географической системе координат, центр которой находится в районе базирования ЛА, ось Е направлена на восток, ось N - на север, ось Пр дополняет систему координат до правой.

Е, км

Рис. 6. Траектория полета согласно навигационному решению РТСЛН, комплексному навигационному решению БИНС и РТСЛН и данным системы эталонирования, полученным в ходе экспериментального

полета

Измерения дальностей радиоэлектронного модуля РТСЛН, кроме полезного сигнала, могут нести в себе искажения, вызванные воздействием хаотичных импульсных помех или отраженным радиосигналом, в связи с чем разработан специальный алгоритм фильтрации измерений дальностей на основе рекуррентной аппроксимации и статистической оценки погрешностей измерений. В связи с применением указанного алгоритма, а также алгоритма комплексирования навигационной информации РТСЛН и БИНС [3] возможно определение местоположения на всей траектории полета воздушного судна.

Графики погрешностей навигационного решения РТСЛН и комплексного решения БИНС и РТСЛН по боку и вдоль ВПП представлены на рис. 7 и рис. 8. На графиках пунктиром обозначены пределы допустимых

погрешностей в относительных единицах ( SZ /

SZ

треб

ш

ш о_

M О N

-3

-18

-16

-14

-12

-10

X, км

Рис. 7. Погрешности комплексного навигационного решения БИНС и РТСЛН и собственного навигационного решения РТСЛН по боку ВПП на этапах захода на посадку, движения по глиссаде и посадки в ходе экспериментального полета

-18 -16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0

X, км

Рис. 8. Погрешности комплексного навигационного решения БИНС и РТСЛН и собственного навигационного решения РТСЛН вдоль ВПП на этапах захода на посадку, движения по глиссаде и посадки в ходе экспериментального полета

На большей части траектории полета погрешности вдоль ВПП соответствуют требованиям, однако на участке воздействия помех, когда навигационное решение РТСЛН становится недоступным, допустимые погрешности превышены. Использование БИНС даже с датчиками низкого класса точности, в сочетании с РТСЛН позволяет достичь требуемых для автоматической посадки БЛА БПП точностных характеристик, однако автономное использование БИНС в отсутствие решения РТСЛН согласно экспериментальным данным возможно непродолжительное время.

В связи с тем, что точность САП на основе РТСЛН при использовании датчиков из состава технологического комплекса отработки САП соответствует требованиям к САП БЛА, можно сделать вывод о том, что при использовании штатных бортовых систем: высокоточной БИНС, системы воздушных сигналов, радиотехнического высотомера - требования будут соблюдены.

Таким образом, полученные точностные характеристики САП на большей части траектории в 1,2 - 1,5 раза лучше требуемых.

Выход за пределы допустимых погрешностей на двух участках при движении по глиссаде обусловлен тем, что:

- на первом участке в условиях установки антенны на самолете Cessna-172 за передней стойкой шасси возникают множественные отражения сигнала от стойки шасси и прерывания радиообмена между бортовым и наземным сегментами РТСЛН. Установка антенны на БЛА предполагается без препятствий для распространения радиоволн;

- на втором участке на измерения радиоэлектронного модуля РТСЛН воздействовали хаотичные импульсные помехи, а поскольку в технологическом комплексе отработки САП используется БИНС низкого класса точности, ее автономное использование в отсутствие решения РТСЛН возможно непродолжительное время. Использование информации бортовой высокоточной БИНС БЛА позволит значительно улучшить точностные характеристики в подобных случаях и не допустить выход погрешностей навигационного решения за пределы допустимого диапазона.

Таким образом, в целом экспериментальные исследования подтвердили выполнение требований к САП на основе РТСЛН по точности на этапах захода на посадку, движения по глиссаде, посадки и пробежки по ВПП в реальных условиях эксплуатации.

Список литературы

1. Automated landing system for general aviation vessels / I.L. Azhgirevich, P.D. Zinovyev, A.V. Izmaylov-perkin, G.A. Kvetkin, A.V. Svi-yazov, V.V. Shcherbinin // International Workshop Navigation and Motion Control proceedings - 2017. 2017. С. 26 - 31.

2. Степанов О. А. Основы теории оценивания с приложениями к задачам обработки навигационной информации. Ч. 1. Введение в теорию оценивания. СПб.: ГНЦ РФ АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2010. 509 с.

3. Смирнов С.В., Измайлов-Перкин А.В. Разработка алгоритма ком-плексирования бесплатформенной инерциальной навигационной системы и автономной системы ближней радионавигации // Навигация и управление движением: материалы XVIII Конференции молодых ученых с международным участием. 2016. С. 80 - 87.

4. Зиновьев П.Д., Кветкин Г.А. Комплекс датчиков первичной информации для беспилотного летательного аппарата // Навигация и управление движением: материалы XVIII Конференции молодых ученых с международным участием. 2016. С. 88 - 95.

5. Смирнов С.В., Измайлов-Перкин А.В. Программная реализация алгоритма функционирования автономной системы ближней радионавигации для автоматизированной системы посадки // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2016. Вып. 6. С. 45 - 55.

6. Исследование точностных характеристик автономной системы ближней радионавигации при использовании на стационарном объекте / Щербинин В.В., Кветкин Г.А., Измайлов-Перкин А.В., Шевцова Е.В. // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2016. Вып. 11. Ч. 3. С. 53 - 60.

7. Щербинин В.В., Кветкин Г.А., Ажгиревич И.Л.Исследование точностных характеристик системы ближней радионавигации // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2016. Вып. 11. Ч. 3. С. 67 - 74.

8. Коррекция азимутальной ошибки бесплатформенной инерциаль-ной навигационной системы с помощью радиотехнической системы локальной навигации / В.В. Щербинин, Г.А. Кветкин, А.В. Измайлов-Перкин, И.Л. Ажгиревич // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2018. Вып. 3. С. 3 - 11.

9. Зиновьев П.Д., Кветкин Г.А. Корректируемая бесплатформенная инерциальная навигационная система на базе микромеханических датчиков первичной информации // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2016. Вып. 6. С. 33 - 45.

10. Разработка программно-аппаратного комплекса имитационного моделирования автоматической посадки беспилотного летательного аппарата / С.В. Смирнов, Г.А. Кветкин, И.Л. Ажгиревич, П.Д. Зиновьев, А.В. Измайлов-Перкин, Л.И. Куликов // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2019. Вып. 1. С. 62 - 74.

Щербинин Виктор Викторович, д-р техн. наук, старший научный сотрудник, начальник научно-технического отделения, спИак'а,спИа& ги, Россия, Москва, АО «Центральный научно-исследовательский институт автоматики и гидравлики»,

Кветкин Георгий Алексеевич, канд. техн. наук, начальник отдела, [email protected], Россия, Москва, АО «Центральный научно-исследовательский институт автоматики и гидравлики»,

Ажгиревич Игорь Леонидович, инженер-конструктор 1-й кат., [email protected], Россия, Москва, АО «Центральный научно-исследовательский институт автоматики и гидравлики»,

Измайлов-Перкин Александр Викторович, инженер-конструктор 1-й кат., [email protected], Россия, Москва, АО «Центральный научно-исследовательский институт автоматики и гидравлики»

EXPERIMENTAL RESEARCH OF THE ACCURACY OF THE UAV AUTOMATIC LANDING SYSTEM BASED ON THE RADIO-TECHNICAL SYSTEM FOR LOCAL

NAVIGATION

V.V. Shcherbinin, G.A. Kvetkin, I.L. Azhgirevich, A.V. Izmaylov-Perkin

This paper presents the results of full-scale testing of the automatic landing system based on the Radio-Technical System for Local Navigation designed for a Russian-made UAV. Software and hardware monitoring during the tests allowed for accuracy analysis of the system, proving that it satisfies the requirements for such a system during approach, landing and taxiing on the runway.

Key words: automatic landing system, Radio-Technical System for Local Navigation, local navigation, radio-technical range finder.

Shcherbinin Victor Victorovich, doctor of technical sciences, head of research division, [email protected], Russia, Moscow, JSC «Central Research Institute of Automatics and Hydraulics»,

Kvetkin Georgiy Alekseevich, candidate of technical sciences, head of department, [email protected], Russia, Moscow, JSC «Central Research Institute of Automatics and Hy-draulics»,

Azhgirevich Igor Leonidovich, engineer, cniian@cniiag. ru, Russia, Moscow, JSC «Central Research Institute of Automatics and Hydraulics»,

Izmaylov-Perkin Alexander Victorovich, engineer, cniiag@cniiag. ru, Russia, Moscow, JSC «Central Research Institute of Automatics and Hydraulics»

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.