CC BY
35
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, cniiag@cniiag.ru, Россия, Москва, АО «Центральный научно-исследовательский институт автоматики и гидравлики»,
Ажгиревич Игорь Леонидович, инженер-конструктор 1-й кат., cniiag@cniiag.ru, Россия, Москва, АО «Центральный научно-исследовательский институт автоматики и гидравлики»,
Измайлов-Перкин Александр Викторович, инженер-конструктор 1-й кат., cni-iag@cniiag.ru, 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, cniian@cniiag.ru, Russia, Moscow, JSC «Central Research Institute of Automatics and Hydraulics»,
Kvetkin Georgiy Alekseevich, candidate of technical sciences, head of department, cniian@cniiag.ru, 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»
