CC BY
33
СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ, УПРАВЛЕНИЕ И ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ
УДК 629.052.7
К ВОПРОСУ О КОМПЛЕКСИРОВАНИИ НАВИГАЦИОННОЙ ИНФОРМАЦИИ В ДВУХКАНАЛЬНОЙ ГИБРИДНОЙ НАВИГАЦИОННОЙ СИСТЕМЕ
С.А. Норсеев, Д.А. Буров, Д.Ю. Тютюгин
Рассматриваются особенности построения двухканальной гибридной навигационной системы, осуществляющей комплексирование инерциальной и спутниковой информации в двух вычислительных каналах. Дополнительной особенностью разрабатываемой системы является выдача гибридной навигационной информации в двух каналах.
Ключевые слова: комплексирование, фильтр Калмана.
Комплексированием инерциальной и спутниковой информации будем называть процесс выработки навигационной системой так называемых гибридных навигационных параметров (ГНП) на основе совместного использования в вычислителе системы данных, получаемых от блока чувствительных элементов (БЧЭ) и аппаратуры спутниковой навигации (АСН).
Навигационную систему, конструктивно включающую в себя БЧЭ и АСН и осуществляющую выработку гибридных навигационных параметров, принято называть интегрированной инерциально-спутниковой навигационной системой (ИИСНС) [1].
Необходимыми условиями выработки ГНП являются наличие постоянно обновляемых данных с БЧЭ и регулярное поступление измерений от АСН. Между измерениями от АСН и при длительном отсутствии измерений от АСН ИИСНС функционирует как инерциальная система.
В данной статье предлагается обобщенный алгоритм функционирования двухканальной ИИСНС, осуществляющей комплексирование навигационной информации в низко- и высокочастотных вычислительных каналах.
Строение ИИСНС. ИИСНС является цифровой информационной системой, принимающей и обрабатывающей данные в режиме реального времени. Обработка данных осуществляется в вычислителе системы.
Информация, поступающая для обработки в вычислитель, включает
в себя:
набор инерциальных измерений, передаваемых из БЧЭ с высокой частотой: вектор приращения угла кажущегося поворота; вектор приращения кажущейся скорости; приращение времени;
набор данных от АСН: широта, высота, долгота; северная, вертикальная, восточная составляющие относительной скорости объекта; аппаратная секундная метка (СМ);
оценка путевой скорости от одометра.
СМ, передаваемая в вычислитель практически без задержки, нужна для фиксации времени, для которого ближайшее решение, получаемое в АСН, является актуальным. Естественно, для получения решения в АСН требуется некоторое время, поэтому данные о нём поступают в вычислитель позже момента получения СМ. Эту задержку, так же, как и задержку обработки спутниковых данных, игнорировать в алгоритме комплексиро-вания нельзя.
Схематично информационные связи ИИСНС изображены на рис. 1.
Рис. 1. Состав ИИСНС
В случае безотказной работы данные из БЧЭ поступают с момента включения и до момента выключения системы. Отсутствие обновления данных в течение нескольких тактов интерпретируется как функциональный отказ БЧЭ и отказ системы в целом.
Данные от АСН могут обновляться не регулярно. Отсутствие очередного их обновления может квалифицироваться как некритичный отказ, при этом ИИСНС продолжает работу в автономном режиме, и погрешность гибридных параметров начинает возрастать. При возобновлении информации от АСН погрешность гибридных параметров через некоторое время становится изначально малой.
Предлагается двухканальная схема обработки инерциальных измерений (рис. 2), в основу которой полагаются алгоритмы бесплатформенной инерциальной навигационной системы (БИНС) и алгоритм фильтра Кал-мана (ФК). Первый канал («автономная БИНС») обеспечивает не корректируемое от АСН инерциальное счисление углов, скорости и координат;
4
второй канал («корректируемая БИНС») выполняет функцию динамической модели фильтра Калмана, и его вектор состояния корректируется по результатам обработки спутниковых измерений.
Вычислитель во внешние системы с требуемой частотой выдает два набора одноименных данных: широту, высоту, долготу; северную, вертикальную, восточную составляющие скорости; углы курса, тангажа и крена. Первый набор - результат инерциального счисления (канал «автономная БИНС»), второй набор - результат комплексирования инерциальных и спутниковых данных (гибридные параметры, канал «корректируемая БИНС»).
Поступающие от одометра оценки путевой скорости используются в инерциальном канале для прямой коррекции инерциальной скорости. В корректируемом канале БИНС коррекция от одометра не проводится, но оценивается смещение измерений одометра относительно истинного значения модуля скорости, получаемого в корректируемом канале при наличии спутниковой информации. Этот параметр учитывается при коррекции инерциального канала как аддитивная ошибка одометра.
Двухканальная структура обусловлена, с одной стороны, выбором замкнутой схемы коррекции, позволяющей использовать в системе датчики широкого класса точности, с другой стороны - необходимостью сохранить инерциальный выход системы.
Рис. 2. Схема информационного обмена
На рис. 2 использованы обозначения:
А6, Ау - векторы приращения кажущегося поворота и кажущейся скорости соответственно, вычисленные по текущим показаниям датчиков с учетом компенсирующих моделей. Поступают в блок корректируемой БИНС и автономной БИНС, где обрабатываются согласно алгоритмам БИНС;
ЛЛ, ЛЯ, лу - оценка текущих гибридных значений кватерниона, радиус-вектора и вектора линейной скорости, в совокупности входящие в вектор состояния ФК и вычисленные с учетом инерциальных измерений. В терминах алгоритма ФК они называются априорными значениями вектора состояния. Поступают в блок ФК. При отсутствии измерений АСН непосредственно образуют выход блока ФК, при наличии актуальных измерений АСН, радиус-вектора Яс и вектора скорости Ус корректируются спутниковыми данными. Сюда же для синхронизации данных от АСН поступает и высокостабильная (в штатном режиме функционирования АСН) аппаратная «секундная метка» (СМ);
ЛЛ, ЯА, УА, 5юЛ, дал - сглаженные оценки расширенного вектора состояния ФК, включающего, помимо кватерниона, радиус-вектора и вектора скорости, еще и оценки гироскопических дрейфов 5дал и смещений нуля акселерометров 5«л. В терминах алгоритма ФК они называются апостериорными значениями расширенного вектора состояния и вычисляются из априорных значений с учетом измерений от АСН. Поступают для обновления вектора состояния корректируемой БИНС, а также используются для вычисления гибридных навигационных параметров;
У_od - измерение модуля текущей скорости, получаемое от одометра. Измерения поступают в блок автономной БИНС, где вместе с поправкой dУ_od (ошибка одометра) используются для коррекции текущей инер-циальной скорости, а также в блок корректируемой БИНС, где используются для вычисления поправки dУ_od.
Особенности работы программного обеспечения (ПО) ИИСНС. Данные из различных источников поступают в вычислитель с различной частотой и несинхронно. Укажем на некоторые особенности обработки данных в этих условиях.
Блоки автономной и корректированной БИНС должны работать с максимальной частотой - частотой обновления инерциальных данных (от 100 Гц). Алгоритмы выдачи параметров во внешние системы также должны обеспечивать частоту обновления данных, требуемую протоколом с внешней системой-потребителем. В то же время ФК, являющийся наиболее сложным алгоритмом для реализации, должен работать с низкой частотой - частотой обновления данных от АСН (штатно 1 Гц). Таким образом, вычисления должны проводиться как минимум в двух частотных каналах: высокочастотном (высокоприоритетный канал, связанный с приёмом, выдачей данных и алгоритмами БИНС) и низкочастотном (низкоприоритетный канал, связанный с реализацией алгоритмов ФК), вычисления в котором производятся в фоновом режиме. При этом продолжительность вычислений одного цикла работы ФК должна быть гарантированно ограниченной, но при этом не являться фиксированной. Обрабатываемая в ФК информация к моменту окончания вычислений уже естественным образом устаревает, поэтому при формировании ГНП требуется актуализировать данные путем учета вычислительной задержки. Решение этой задачи описывалось в работе [2].
Для временной привязки данных используется шкала времени вычислителя, подстраиваемая в процессе работы системы под шкалу времени АСН (при штатной работе приёмника) или БЧЭ (при длительном отсутствии спутниковой информации). Для комплексирования данные от различных источников алгоритмически (путем интерполяции) «приводятся» к единому моменту времени, для которого впоследствии проводится коррекция вектора состояния.
Особенности реализации ФК в ИИСНС. Применение ФК в ПО ИИСНС имеет особенности, которые не нашли отражения в академической литературе, посвященной теории фильтрации, но во многом определяют эффективность практического использования ФК в навигационных системах.
Перечислим специфические условия эксплуатации, влияющие на эффективность работы ФК в составе ПО ИИСНС:
возможные длительные перерывы в получении корректирующей спутниковой информации;
изменение параметров фактических ошибок спутниковых измерений в процессе функционирования ИИСНС;
зависимость наблюдаемости компонент вектора состояния ФК от характера движения объекта.
Перечисленные выше условия могут приводить к следующим негативным последствиям:
отсутствие сходимости или медленная сходимость ошибок; скачки в оценках гибридных параметров вследствие переходных процессов в ФК после восстановления спутниковой информации; потеря устойчивости фильтра и вычислительного процесса. Первый эффект снижает точность гибридных параметров, второй -делает оценки параметров недостоверными из-за высокой погрешности, третий эффект может привести к отказу системы.
Основной и практически универсальной причиной таких эффектов является потеря адекватности моделей динамического процесса, ошибок и шумов, используемых априори в ФК, относительно фактического состояния. Такое нарушение может случиться уже в ходе функционирования системы при длительном отсутствии коррекции (наблюдается выход фактических ошибок за пределы адекватности линеаризованной модели), при изменении характера спутниковых ошибок и шумов измерений (вследствие естественных или искусственных помех), при стрессовых движениях (быстрый разворот, удар и т.д.).
Для устранения влияния подобных эффектов на качество функционирования ИИСНС на практике приходится применять разнообразные эвристические приёмы, повышающие робастность ФК к подобного рода ситуациям. К таким приёмам относятся:
изначальная настройка параметров моделей шумов объекта и помех измерений АСН и их адаптация в процессе функционирования. Эти параметры связаны с шумами конкретных гироскопов, акселерометров и поме-
хами в навигационных сигналах от спутников, но определение их конкретных значений в условиях дискретной обработки измерений - нетривиальная задача;
масштабирование переменных вектора состояния ФК для устойчивости вычислительного процесса. В вектор состояния ФК входят как ошибки координат, так и ошибки параметров дрейфа, имеющие различие в несколько порядков. Для устойчивой работы ковариационного блока ФК входящие в нее элементы требуется привести к сопоставимым диапазонам, т.е. провести масштабирование переменных;
контроль входных данных по простейшим и перекрестным критериям. Для адекватной работы ФК важно не допустить использование недостоверных спутниковых измерений. Гарантированно решить эту проблему невозможно, но желательно блокировать хотя бы «грубые» неадекватности в спутниковых измерениях. Сама АСН делает это на практике не всегда, а в ИИСНС для этого есть избыточность информации за счет инерциального канала;
управление ковариационной матрицей ошибок путем искусственного изменения ее элементов при уменьшении скорости сходимости ошибок. Такой приём позволяет восстановить спутниковую коррекцию при возможном нарушении адекватности модели, т.е. когда оценка СКО ошибки из ковариационного блока в несколько раз меньше фактической ошибки параметра;
использование дополнительных фильтров низкой частоты, способствующих изоляции выдаваемых значений ГНП от переходных процессов ФК (исключая первоначальный переходный процесс) и т.д.
Перечисленные мероприятия должны осуществляться на основании конкретных реальных данных испытаний, поэтому относятся к категории доработок основной версии ПО.
Обобщенный алгоритм работы. Для синхронизированных инерци-альных и спутниковых данных реализуется следующий алгоритм.
Вычисление суммарного приращения угла кажущегося поворота на интервале между коррекциями, суммарного приращения кажущейся скорости на интервале между коррекциями, интервала времени между коррекциями.
Если пришла СМ, то:
вычисление вектора состояния, кватерниона сдвига, трансформированной апостериорной матрицы ошибок, времени последней коррекции, начального значения скорректированного кватерниона без учета запаздывания, начального значения поправки к баровысоте, начального времени предыдущей коррекции по готовому решению;
вычисление априорной матрицы ошибок.
Если «данные для коррекции готовы», то:
вычисление геоцентрического вектора скорости с учетом параллакса и геоцентрического вектора положения с учетом параллакса;
вычисление скорректированного кватерниона без учета запаздывания, скорректированного вектора скорости без учета запаздывания, скорректированного радиус-вектора без учета запаздывания, оценки постоянной составляющей дрейфа гироскопов, оценки температурного коэффициента дрейфа гироскопов, оценки градиентно-температурного коэффициента дрейфа гироскопов, оценок смещения нуля акселерометров, времени предыдущей коррекции по готовому решению, апостериорной матрицы ошибок.
Вычисление десятимерного скорректированного вектора состояния с учетом запаздывания.
Вычисление поправки к измерениям путевой скорости одометра.
Пункты 1, 4, 5, а также проверка условий по пунктам 2 и 3 выполняются в высокочастотном вычислительном канале. Содержательная часть пунктов 2 и 3 выполняется в низкочастотном вычислительном канале. При этом управляющий параметр «данные для коррекции готовы» становится истинным, если поступило решение от АСН и закончены вычисления по пункту 2. Управляющие параметры «пришла СМ» и «данные для коррекции готовы» устанавливаются алгоритмом-менеджером (в работе не рассматривается) и один раз в секунду сбрасываются в ложное состояние.
Заключение. В данной статье была рассмотрена архитектура двух-канальной гибридной навигационной системы, осуществляющей комплек-сирование навигационной и спутниковой информации в двух вычислительных каналах.
Наличие двух выходных каналов предоставляет возможность более точной настройки навигационной системы и тем самым повышения качества и точности ее работы. Одновременно с этим реализация процесса комплексирования в двух параллельных вычислительных каналах повышает скорость работы системы.
Список литературы
1. Интегрированные инерциально-спутниковые системы навигации: сборник докладов и статей / сост. О.А. Степанов; под общ. ред. акад. РАН В .Г. Пешехонова. СПб.: ГНЦ РФ «ЦНИИ «Электроприбор», 2001. 235 с.
2. Тютюгин Д.Ю., Норсеев С.А. К вопросу о комплексировании инерциальной и спутниковой информации с использованием параллельных алгоритмов // Оборонная техника. 2017. № 7 - 8. С. 47 - 51.
Норсеев Сергей Александрович, канд. техн. наук, инженер-программист, Norseev@gmail.com, Россия, Ковров, АО ««ВНИИ «Сигнал»
Буров Дмитрий Алексеевич, инженер-исследователь, Daburov12@mail.ru, Россия, Ковров, АО « ВНИИ « Сигнал»,
Тютюгин Дмитрий Юрьевич, заместитель начальника НПК, tyutyugin@vniisignal.ru, Россия, Ковров, АО ««ВНИИ «Сигнал»
9
NAVIGATION DATA INTEGRATION IN A TWO-CHANNEL HYBRID
NA VIGA TION SYSTEM
S.A. Norseev, D.A. Burov, D. Yu. Tyutyugin
The paper describes the peculiarities of building a two-channel hybrid navigation system that performs integration of inertial and satellite data in two computation channels. Another peculiarity of the created system is hybrid navigation data output in two channels.
Key words: integration, Kalman filter.
Norseev Sergei Aleksandrovich, candidate of technical sciences, part-programming engineer, norseev@gmail. com, Russia, Kovrov, JS «VNII «Signal»
Burov Dmitrii Alekseevich, research engineer, daburov12@,mail.ru, Russia, Kovrov, JS «VNII «Signal»
Tyutyugin Dmitrii Yurevich, deputy chief of research-and-production complex, tyutyugin@vniisignal.ru, Russia, Kovrov, JS «VNII«Signal»
УДК 621.39.019.3
МЕТОДОЛОГИЯ ПРОВЕДЕНИЯ РАСЧЕТОВ ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЕЖНОСТИ СИСТЕМ И СРЕДСТВ СВЯЗИ
С. А. Максаков
Рассмотрена проблема расчета надежности систем и средств связи в зависимости от стадий их «жизненного цикла» Предложены методики расчета показателей надежности систем и средств связи для простых последовательных и параллельных схем соединения элементов, а также для сложных схем мостикового типа.
Ключевые слова: надежность систем и средств связи, расчет показателей надежности, вероятность безотказной работы.
Телекоммуникации выполняют в современном мире важнейшую роль в обеспечении поступательного развития и жизнеспособности нашего общества. Основу телекоммуникаций составляют системы и средства связи (ССС), имеющие широкие функциональные возможности и обладающие высокой сложностью построения. Одновременно предъявляются жесткие требования к их качеству и эффективности функционирования при разумной стоимости. Очевидно, что такие системы должны быть высоконадежны и долговечны. Только в этом случае их разработка, производство и эксплуатация экономически целесообразны.
«Надежность (ГОСТ 27.002-89) - свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования» [3].
