CC BY
56
16. Markovich I.I. Realizatsiya algoritmov tsifrovogo formirovaniya kvadraturnykh sostavlyayushchikh v lokatsionnykh kompleksakh razlichnogo naznacheniya [Implementation of algorithms for digital formation of quadrature components in location complexes for various purposes], Vestnik komp'yuternykh i informatsionnykh tekhnologiy [Bulletin of computer and information technologies], 2006, No. 6, pp. 16-21.
17. Markovich I.I., Andrienko V.A., Ershova O.V.Tsifrovaya obrabotka signalov v gidroakusticheskikh kompleksakh [Digital signal processing in sonar systems], Mater. 2-y Vserossiyskoy nauchno-tekhnicheskoy konferentsii «Superkomp'yuternye tekhnologii» (SKT-2012) [Proceedings of the 2nd all-Russian scientific and technical conference "Supercomputer technologies" (SCT-2012)]. Rostov-on-Don: Izd-vo YuFU, 2012, Vol. 2, pp. 230-234.
18. Markovich I.I., Mar'ev A.A. Sistema selektsii dvizhushchikhsya tseley s izmereniem dal'nosti, radial'noy skorosti i napravleniya dvizheniya [System of selection of moving targets with measurement of range, radial speed and direction of movement]. Patent 2626380 RF: MPK-2015.01 G01S 13/52; G01S 13/58; applicant and copyright holder of Southern Federal University. No. 2016141527; stated 21.10.2016, published 26.07.2017, Bull. No. 21.
19. Markovich I.I., Mar'ev A.A. Selektsiya dvizhushchikhsya tseley s izmereniem dal'nosti, radial'noy skorosti i napravleniya dvizheniya [Selection of moving targets with the measurement of range, radial speed and direction of movement], Vestnik vozdushno-kosmicheskoy oborony [Bulletin of aerospace defense], 2019, No. 1 (21), pp. 31-40.
20. Markovich I.I. Algoritm tsifrovoy obrabotki signalov lokatora prepyatstviy s izmereniem skorosti i napravleniya dvizheniya podvodnykh ob"ektov [Algorithm of digital processing of signals of the locator of obstacles with measurement of speed and the direction of movement of underwater objects], Mater. 5-y Vserossiyskoy nauchno-tekhnicheskoy konferentsii «Superkomp'yuternye tekhnologii» (SKT-2018) [Proceedings of the 5th all-Russian scientific and technical conference "Supercomputer technologies" (SCT-2018)]. Rostov-on-Donu: Izd-vo YuFU, 2018, Vol. 2, pp. 150-155.
Статью рекомендовал к опубликованию д.т.н., профессор А.Р. Ильчук.
Маркович Игорь Ильич - Научное конструкторское бюро цифровой обработки сигналов федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего образования «Южный федеральный университет»; e-mail: marko@sfedu.ru, 347922, г. Таганрог, ул. Шевченко, 2; тел.: 88634394055; директор-главный конструктор; к.т.н.; с.н.с.
Markovich Igor Il'ich - SFedU Research and Design Bureau of Digital Signal Processing - Federal State-Owned Educational of Higher Education «Southern Federal University»; e-mail: mar-ko@sfedu.ru, Russia, 2, Shevchenko st., Taganrog, 347922, Russia; phone: +78634394055; director-chief designer; cand. of eng. sc.; senior scientist.
УДК 550.383+550.389 DOI 10.23683/2311-3103-2019-1-248-258
В. Т. Минлигареев, А.В. Алексеева, Ю.М. Качановский, А.Ю. Репин, Е.Н. Хотенко
КАРТОГРАФИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ МАГНИТОМЕТРИЧЕСКИХ НАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ
В публикации показана актуальность картографического и программного обеспечения аномальной составляющей магнитного поля Земли (АМПЗ) для применения в магнитометрических навигационных системах роботехнических комплексов. Приведены теоретические данные о составляющих магнитного поля Земли, смещении магнитных полюсов и международных моделях главного магнитного поля Земли. Проведены исследования, направленные на определение фактического состояния картографического и программного обеспечения, выданы рекомендации для их применения в корреляционно-экстремальных навигационных системах (КЭНС). Проведённый анализ показал, что карты АМПЗ территории Российской Федерации были составлены до введения в аэрогеофизическую практику
системы спутниковой навигации и являются устаревшими. Для 80-90 % существующей картографической продукции отсутствует исходный материал в цифровом формате. Закартографированность территории страны современной магнитоизмерительной аппаратурой составляет порядка 10-20 %, что может быть использовано для работы магнитных навигационных систем (МНС) в КЭНС. АМПЗ является пространственным геофизическим полем и с ростом высоты меняется характер АМПЗ - неоднородно уменьшается полезный сигнал. Поэтому необходимо знать модуль АМПЗ в любой точке по эшелонам высот. Для этого разрабатываются различные программы пересчета АМПЗ по высоте. Отдельным направлением показана навигация и наведение автономных необитаемых подводных аппаратов (АНПА). Данное направление представляет собой более сложную задачу в силу малоизученности пространственных геофизических полей мирового океана. Пока задача навигации АНПА по геофизическим полям решается методами моделирования для оценки возможности корреляционно-экстремальной обработки (КЭО) и отработки её точностных характеристик с использованием магнитного, гравитационного полей Земли и рельефа морского дна, а также при их комплексировании. Разработанные предложения по АМПЗ необходимо внести в ряд НИР, направленных на обеспечение информацией о характеристиках магнитного поля в целях навигации и наведения робототехнических комплексов (систем) РТК. Крайне необходима постановка ОКР по созданию баз данных и наполнению их информационной продукцией о геофизических полях Земли. Область применения полученных результатов картографического и программного обеспечения - создание геоподосновы МНС для авиационных носителей РТК, АНПА а также централизация и использование цифровой картографической продукции для геологоразведочных работ, различных исследований в области наук о Земле.
Магнитное поле Земли; аномальная составляющая; картографическое обеспечение; карты АМПЗ; корреляционно-экстремальные навигационные системы; магнитометрические навигационные системы; летные испытания; программно-математическое обеспечение; базы магнитометрических данных.
V.T. Minligareev, A.V. Alekseeva, Y.M. Kachanovsky, A.Y. Repin, E.N. Khotenko
CARTOGRAPHIC SECURITY OF MAGNETOMETRIC NAVIGATION SYSTEMS OF ROBOTIC COMPLEXES
The publication shows the relevance of cartographic and software anomalous component of the Earth's magnetic field (AEMF) for use in magnetometric navigation .systems of robotic complexes. There is a presentation of: the theoretical data on the components of the Earth's magnetic field, the shift of the magnetic poles and international models of the Earth's main magnetic field in the article. Studies aimed at determining the actual state of cartographic and software have been conducted, recommendations have been issued for their use in correlation-extreme navigation systems (CENS). The analysis showed that the maps of the AEMF of the territory of the Russian Federation were compiled before the introduction of satellite navigation systems into the aerogeophysicalpractice and also these maps are outdated. There is no source material in digital format for 80-90% of existing cartographic products. The cartography of the country's territory with modern magnetic measuring equipment is about 10—20 %, which can be used for the operation of magnetic navigation systems (MNS) in CENS. AEMF is a spatial geophysical field and the nature of the AEMF changes with increasing altitude - the useful signal decreases non-uniformly. Therefore, it is necessary to know the AEMF module at any point in elevation levels. For this purpose, various programs are developed for the conversion of AEMF height. The navigation and guidance of autonomous underwater vehicle (AUV) is showed as a separate direction. This direction is a more difficult task due to little-studied spatial geophysical fields of the world ocean. While the problem of navigation of AUV on geophysical fields is solved by modeling methods to assess the possibility of correlation-extreme processing (CEP) and working out its accuracy characteristics using magnetic, gravitational fields of the Earth and the seabed relief, as well as their aggregation. Developed proposals for AEMF need to be made in a number of research projects aimed at providing information on the characteristics of the magnetic field for navigation and guidance of the robotic systems (RTS). It is imperative that development work be carried out to create databases and fill them with information products about the geo-
physical fields of the Earth. The field of application of the obtained results of cartographic and software is the creation of a geo-base for the MNS for aircraft carriers (RTS). AUV as well as the centralization and use of digital cartographic products for geological exploration, various studies in the field of earth sciences.
Earth's magnetic field; anomalous component; cartographic software; AMPS maps; correlation-extreme navigation systems; magnetometric navigation systems; flight tests; mathematical software; magnetometric databases.
Введение. В настоящее время активно развиваются системы коррекции навигационных параметров и систем наведения роботехнических комплексов и систем (РТК) военного, специального и двойного назначения, в том числе и по информации о геофизических полях Земли - так называемые корреляционно-экстремальные навигационные системы (КЭНС). Основными преимуществами КЭНС являются автономность и точность определения навигационных параметров в режиме реального времени, независимо от внешнего воздействия. Бурное развитие глобальных спутниковых навигационных систем (ГНСС) снизило интерес к применению КЭНС, однако в последнее время из-за угрозы несанкционированных воздействий и влияния космической погоды требование автономности работы навигационных систем вышло на первое место. Это особенно актуально в области авиационной и подводной навигации РТК. Применение методов экстремальной коррекции, прежде всего по магнитному полю Земли (МПЗ) потребовало дополнительных исследований, связанных с адаптацией алгоритмов корреляционно -экстремальной обработки для летательных аппаратов, а также с комплексным использованием картографического и программного обеспечения [1-4]. На основании таких исследований в дальнейшем необходима выдача рекомендаций по применению цифровых карт МПЗ для их применения в магнитометрических навигационных системах (МНС).
По современным представлениям МПЗ в любой точке земной поверхности и в околоземном пространстве можно представить в виде трех составляющих: главного (нормального) поля (ГП), полей вариаций и магнитных аномалий (рис. 1, 2)
T = Tq + Tm + АТа + ST, (1)
где T0 - дипольная составляющая ГП (однородная намагниченность Земли);
Tm - недипольная составляющая ГП (взаимодействие внутренних оболочек Земли - поле Мировых аномалий);
АТа - аномальное магнитное поле (обусловлено намагниченностью верхних частей земной коры) - АМПЗ;
ST - магнитное поле вариации (внешние воздействия на Землю - от космических лучей и др.)
Рис. 1. Главное МПЗ (слева), вариации МПЗ - справа
Рис. 2. Аномальное МПЗ АТа. Слева - 3D модель с ярко выраженной курской магнитной аномалией. Справа - технология составления карт АМПЗ по намагниченности земной коры (1 - карта АМПЗ, 2 - высота аэромагнитной
съемки, 3 - земная кора)
Источники ГП находятся в земном ядре. Вклад ГП в МПЗ для большинства районов Земли является определяющим и варьируется от 80 до 98 %. Исследования показали, что ГП изменяется со временем, для него характерно наличие вековых вариаций. Определение ГП производится по различным моделям, основными из которых являются: IGRF (International geomagnetic reference field), WMM (World Magnetic Model) [5-8]. Данные модели ГП используются по всему миру, в том числе и в России, а отечественные магнитные обсерватории предоставляют данные, необходимые для ее создания. Для наполнения моделей ГП используются также данные спутниковых наблюдений действующей миссии Swarm [5], а также на результатах более ранних исследований в рамках миссии CHAMP (Challenging Minisatellite Payload и исследований, проведенных с помощью морских и воздушных наблюдений.
До 2019 г. для расчета ГП использовалась модель для эпохи 2015 г. Скорость дрейфа магнитного полюса в 70-е годах составила 10 км/год, 2001 г. - 40 км/год, 2004 г. - 60 км/год, 2015 - 48 км/год. Однако, с 2016 г., необычно большая скорость, с которой смещается северный магнитный полюс Земли (рис. 3), привела к серьезным ошибкам. В начале 2019 г, невязка определения Северного полюса составила 40 км. Для устранения такого рода ошибок в феврале 2019 г. началось досрочное обновление Всемирных моделей магнитного поля IGRF и WMM - необходимых для функционирования профессиональных навигационных систем и навигаторов в мобильных телефонах [9].
Рис. 3. Смещение северного магнитного полюса
Источники поля вариаций МПЗ находятся в ионосфере, магнитосфере и частично в земной коре. Характерная особенность этой составляющей - довольно быстрое изменение ее во времени. Вклад поля вариаций в МПЗ может достигать 5-10 %. Поле вариаций определяется по данным сети магнитовариационных станций, основной из которых является Государственная наблюдательная сеть - ГНС (Росгидромет). Головным НИУ по магнитным наблюдениям на ГНС является Институт прикладной геофизики имени академика Е.К. Федорова (ФГБУ «ИНГ») г. Москва [10].
Постановка задачи. Аномальная составляющая магнитного поля Земли ДТа (АМПЗ) - магнитное поле региональных и локальных магнитных аномалий, источники которого находятся в земной коре (рис. 2). Это поле обусловлено намагниченностью пород земной коры, отражает распределение магнитных масс в земной коре и связано с ее геологическим строением. Это наиболее стабильная во времени составляющая магнитного поля, которая может измениться только в результате тектонических процессов или крупной антропогенной деятельности (например, при разработке полезных ископаемых, строительстве крупных железобетонных сооружений, заводов, протяженных трубопроводов, линий электропередач). Именно в качестве геоподосновы навигации и наведения рассматривается аномальная составляющая магнитного поля - АМПЗ, которая является составной частью общего МПЗ. В отличие от поверхностных полей (рельеф местности, радиотепловое и радиолокационное) пространственные (магнитное, гравитационное) являются глобальными, трехмерными и зависящими от высоты [1, 11-14].
Известно, что с ростом высоты меняется характер АМПЗ - неоднородно уменьшается полезный сигнал - сначала ослабевает высокочастотная составляющая, затем - низкочастотная. Поэтому необходимо знать модуль АМПЗ в любой точке по эшелонам высот. Для этого разрабатываются различные программы пересчета АМПЗ по высоте (Geosoft, REIST и др.) [11-14]. Вариация расчетных характеристик АМПЗ проведится практической проверкой с пролетом на всех эшелонах исследуемого участка [15]. На рис. 4 изображен самолет-лаборатория Ан-30Д, подготовленный для съемок АМПЗ на различных эшелонах, в рамках проводимых работ ФГБУ «ИНГ» на полигоне в районе г. Волгограда.
Рис. 4. Подготовка летающей лаборатории на базе Ан-30Д для съемки АМПЗ на различных эшелонах. Магнитные датчики вынесены в немагнитный стингер
Кроме того, под задачи навигации как правило разрабатываются вспомогательные программы:
♦ визуализации характеристик АМПЗ с цифрового формата;
♦ записи данных АМПЗ;
♦ входного контроля картографической информации с визуализацией АМПЗ.
Выделение аномальных полей из наблюденного или суммарного МПЗ и использование их в виде карт, баз геоданных, с целью навигации является геоподосновой создания МНС.
Необходимо отметить, что единых специализированных баз данных АМПЗ в Российской Федерации не существует. Особенностью наполняемости баз геоданных является то, что за период выполнения магнитных съемок, охватывающий несколько десятилетий, МПЗ значительно изменяется, и соответственно необходимо постоянное обновление баз данных АМПЗ.
Проведённый в ФГБУ «ИПГ» анализ изученности территории страны по данным картографирования в части АМПЗ, показал следующее:
♦ карты АМПЗ территории Российской Федерации были составлены до введения в аэрогеофизическую практику в 90-х годах ХХ века системы спутниковой навигации и являются устаревшими. Для 80-90 % существующей картографической продукции отсутствует исходный материал в цифровом формате [11-14] (рис. 5);
Рис. 5. Аналоговая карта аномального магнитного поля РФ и прилегающих акваторий (по результатам съемок 60-80 гг., 1:2 500 000, 2015) [16]
♦ определение АМПЗ на территории страны с использованием современной магнитоизмерительной аппаратуры (квантовые и протонные магнитометры) и спутниковой навигации относительно нормального магнитного поля модели IGRF выполнено фрагментарно. Порядка 10-20 % территории страны может быть использовано для МНС [11-14] (рис. 6).
Современное картографирование больших площадей (построение карт АМПЗ) проводится с помощью аэромагнитных съемок с применением феррозон-довых и квантовых магнитометров, которые определяют модуль магнитной индукции (в нТл) на высоте съемки. Одновременно с помощью навигационных систем, установленных на носителе, определяется высота и координаты маршрута полета (рис. 4). После первичной и камеральной обработки строятся карты АМПЗ по высоте съемки с цифровыми массивами данных (широта ф, долгота X, значение модуля АМПЗ АТа).
Рис. 6. Карта современной высокоточной аэромагнитной съёмки АМПЗ
Ввиду отсутствия цифровой закартографированности территорий по МПЗ в ФГБУ «ИПГ» разработаны предложения для обеспечения информацией о характеристиках магнитного поля в целях навигации и наведения РТК.
1. Необходимо проведение комплексной геофизической (гравитационной, магнитной) съемки территории Российской Федерации и прилегающих акваториях, включающую высокоточную аэромагнитную компонентную съемку специализированной геофизической авиацией, используя спутниковые навигационные системы ГЛОНАСС/GPS и соответствующую наземную поддержку магнитовариаци-онными комплексами.
2. Для учета вариаций МПЗ необходимо проводить непрерывные наземные наблюдения вариаций магнитного поля в опорных и мобильных точках на геофизических полигонах и специально оборудованных судах. Наземная поддержка съемки обеспечивается стационарными и мобильными обсерваториями государственной сети геомагнитных наблюдений Росгидромета и экспедиций по магнитной съемке.
3. Для обеспечения достоверности и точности магнитных наблюдений необходимо организовать метрологическое сопровождение всего комплекса работ с использованием рабочих эталонов, в том числе переносных мер магнитной индукции.
4. Для проведения исследований работоспособности МНС с КЭНС необходимо создать геофизический полигон с высоко, средне и высокоинформативными участками АМПЗ и современным высокоточным картографированием.
5. Для создания базы магнитометрических данных необходимо разработать специальное программно-математическое обеспечение.
6. Для создания и подержания баз данных пространственных геофизических полей Земли (магнитного и гравитационного) как геоподосновы навигации нового поколения включить их в единое геоинформационное пространство.
Отдельное направление выделяется по навигации и наведению автономных необитаемых подводных аппаратов (АНПА) [17]. Данное направление представляет собой более сложную задачу в силу малоизученности пространственных геофизических полей мирового океана. Пока задача навигации АНПА по геофизическим полям решалась методами моделирования. Целью математического моделирования являлась оценка возможности корреляционно-экстремальной обработки (КЭО) и её точностных характеристик с использованием магнитного, гравитационного полей Земли и рельефа морского дна, а также при их комплексировании [6-8, 18-20].
При проведении математического моделирования использовалась реальная картографическая информация по всем рассматриваемым геофизическим полям Земли (ГФП) [17]. Начальное положение АНПА при моделировании задавалось случайным образом с учетом априорной погрешности БИНС от 1000 м до 25000 м. Статистические характеристики КЭО оценивались по серии запусков при различных априорных ошибках БИНС, погрешностях картографирования, ошибках датчиков ГФП и ухода скорости АНПА. Проведенное математическое моделирование режима КЭО показало, что наиболее целесообразно комплексное использование рассматриваемых ГФП. При этом потенциально достижимые точности коррекции методом КЭО оцениваются на уровне первых сотен метров. При невозможности проведения КЭО по рельефу морского дна из-за ограничений по глубине погружения АНПА основным для целей коррекции является магнитное поле Земли. В этом случае точность коррекции ухудшается в два раза. КЭО по гравитационному полю имеет точностные характеристики хуже, чем по магнитному полю, примерно в полтора раза и, кроме того, при его использовании резко возрастает вероятность срыва экстремальной коррекции. Поэтому гравитационное поле целесообразно применять только совместно с магнитным полем для обеспечения КЭО в случае возникновения сильных магнитных помех.
Выводы. Разработанные предложения необходимо внести в ряд НИР направленных на обеспечение информацией о характеристиках магнитного поля в целях навигации и наведения РТК. Также крайне необходима постановка ОКР по созданию баз данных и наполнению их информационной продукцией о ГФП и внесению ее в Единую базу геопространственной информации для эффективной эксплуатации авиационных и подводных РТК.
Область применения полученных результатов картографического и программного обеспечения - это прежде всего создание геоподосновы МНС для авиационных носителей РТК, АНПА, а также централизация и использование цифровой картографической продукции для геологоразведочных работ, различных исследований в области наук о Земле.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Джанджгава Г.И., Августов Л.И. Навигация по геополям. Научно-методические материалы. - М.: ООО «Научтехлитиздат». - 2018. - 296 с.
2. Белоглазое И.Н., Джанджгава Г.И., Чигин Г.П. Основы навигации по геофизическим полям. - М.: Наука, 1985. - 328 с.
3. Бочкарев А.М. Корреляционно-экстремальные системы навигации (обзор) // Зарубежная радиоэлектроника. -1981. - № 9.
4. Джанджгава Г.И., Герасимов Г.И., Августов Л.И. Навигация и наведение по пространственным геофизическим полям // Известия ЮФУ. Технические науки. - 2013. - № 3 (140). - С. 74-84.
5. The main MPZ according to Swarm satellites. - 2016. - URL: http://www.dailytechinfo.org/ space/6020-sputniki-swarm-sostavili-polnuyu-kartu-izmeneniy-magnitnogo-polya-zemli.html (дата обращения 02.02.2019).
6. Fournier et al. A candidate secular variation model for IGRF-12 based on Swarm data and inverse geodynamo modelling. Earth, Planets and Space, 2015.
7. Cain J.C, Hendricks S.J., Langel R.A., Hudson W. V.A. Propsed Model for the International Geomagnetic Reerence Field // J. Geomagn and Geoelectr. - 1967. - Vol. 19, No. 4. - P. 335-355.
8. Calculation of the magnetic field: NOAA site. - 2016. - URL: http://www.ngdc.noaa.gov/ geomag-web/?model=igrf#igrfwmm (дата обращения: 02.02.2019).
9. Changing the IGRF model: NOAA website. - https://www.ncei.noaa.gov/news/world-magnetic-model-out-cycle-release (дата обращения: 02.02.2019).
10. РД 52.04.567-2003. Положение о Государственной наблюдательной сети. - Обнинск: ГУ «ВНИИГМИ-МЦД», 2003.
11. Минлигареев В.Т., Алексеева А.В., Алексеев В.Ю. и др. Картографическое обеспечение альтернативной навигации по геофизическим полям Земли // Авиакосмическое приборостроение. - 2018. - № 11. - С .18-22. - DOI: 10.25791/aviakosmos.11.2018.258.
12. Минлигареев В.Т., Алексеева А.В., Алексеев В.Ю., Качановский Ю.М., Паньшин Е.А., Репин А.Ю. Хотенко Е.Н. Картографическое обеспечение альтернативной навигации по геофизическим полям Земли // Справочник инженера. Тезисы докладов Всероссийской конференции «Измерения. Испытания. Контроль» 23-25 октября 2018 г., г. Москва, МВЦ Крокус Экспо. - 2018. - № 5. - С. 47-49.
13. Минлигареев В. Т., Алексеева А.В., Качановский Ю.М., Паньшин Е.А., В.В. Трегубов. Перспективы картографического обеспечения аномальной составляющей магнитного поля Земли для решения прикладных задач // Гелиогеофизические исследования: научный электронный журнал. - 2018. - № 20. - С. 71-75. - URL: http://www.vestnik.geospace.ru. (дата обращения: 31.01.2019).
14. Минлигареев В.Т., Алексеева А.В., Качановский Ю.М., Трегубов В.В. Картографическое обеспечение авиационных магнитометрических навигационных систем // VI Международная научно-практическая конференция «Актуальные вопросы исследований в авио-нике: теория, обслуживание, разработки» - «АВИАТОР». Сборник пленарных докладов. 14-15 февраля 2019 г. ВУНЦ ВВС «ВВА им. проф. Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина», г. Воронеж, 2019. - С. 8-12.
15. ЦирельВ.С. Аэромагнитометрия - от А.А. Логачева до наших дней // Геофизика. - 1999.
- № 2. - C. 4-6.
16. Сайт «Всероссийский научно-исследовательский геологический институт им. А.П. Карпинского» - ВСЕГЕИ, 2016. - URL: http://www.vsegei.ru/ru/ (дата обращения: 02.02.2019).
17. Джанджгава Г.И., Сазонова Т.В. Математическое моделирование алгоритмов определения координат необитаемого подводного аппарата с использованием информации о физических полях Земли // Известия ЮФУ. Технические науки. - 2016. - № 1 (174).
- С. 102 -110.
18. International Centre for Global Earth Models (ICGEM). - URL: http://icgem.gfz-potsdam.de (дата обращения: 02.02.2019).
19. Pavlis N.K., Holmes S.A., Kenyon S.C., Factor J.K. The development and evaluation of the Earth Gravitational Model 2008 (EGM2008) // Journal of geophysical research. - 2012.
- Vol. 117. - b04406, doi: 10.1029/2011jb008916.
20. Barthelmes F. Definition of functional of the geopotential and their calculation from spherical harmonic models // Helmholtz-Zentrum Potsdam - Deutsches GeoForschungsZentrum - Scientific Technical Report STR09/02. - 2009. - 32 p.
REFERENCES
1. Dzhandzhgava G.I., Avgustov L.I. Navigatsiya po geopolyam. Nauchno-metodicheskie materialy [Navigating the geofields. Scientific-methodical materials]. Moscow: OOO «Nauchtekhlitizdat», 2018, 296 p.
2. Beloglazov I.N., Dzhandzhgava G.I., Chigin G.P. Osnovy navigatsii po geofizicheskim polyam [Chigin. Basics of navigation in geophysical fields]. Moscow: Nauka, 1985, 328 p.
3. Bochkarev A.M. Korrelyatsionno-ekstremal'nye sistemy navigatsii (obzor) [Correlation-extreme navigation systems (review)], Zarubezhnaya radioelektronika [Foreign radio electronics], 1981, No. 9.
4. Dzhandzhgava G.I., Gerasimov G.I., Avgustov L.I. Navigatsiya i navedenie po prostranstvennym geofizicheskim polyam [Navigation and guidance on spatial geophysical fields], Izvestiya YuFU. Tekhnicheskie nauki [Izvestiya SFedU. Engineering Sciences], 2013, No. 3 (140), pp. 74-84.
5. The main MPZ according to Swarm satellites. - 2016. Available at: http://www.dailytechinfo.org/space/6020-sputniki-swarm-sostavili-polnuyu-kartu-izmeneniy-magnitnogo-polya-zemli.html (accessed 02 February 2019).
6. Fournier et al. A candidate secular variation model for IGRF-12 based on Swarm data and inverse geodynamo modelling. Earth, Planets and Space, 2015.
7. Cain J.C, Hendricks S.J., Langel R.A., Hudson W.V.A. Propsed Model for the International Geomagnetic Reerence Field, J. Geomagn. and Geoelectr, 1967, Vol. 19, No. 4, pp. 335-355.
8. Calculation of the magnetic field: NOAA site, 2016. Available at: http://www.ngdc.noaa.gov/ geomag-web/?model=igrf#igrfwmm (accessed 02 February 2019).
9. Changing the IGRF model: NOAA website. Available at: https://www.ncei.noaa.gov /news/world-magnetic-model-out-cycle-release (accessed 02 February 2019).
10. RD 52.04.567-2003. Polozhenie o Gosudarstvennoy nablyudatel'noy seti [RD 52.04.567-2003. Regulations on the State Observation Network]. Obninsk: GU «VNIIGMI-MTSD», 2003.
11. Minligareev V.T., Alekseeva A.V., Alekseev V.Yu. i dr. Kartograficheskoe obespechenie al'ternativnoy navigatsii po geofizicheskim polyam Zemli [Cartographic support for alternative navigation through the geophysical fields of the Earth], Aviakosmicheskoe priborostroenie [Aerospace Instrumentation], 2018, No. 11, pp. 18-22. DOI: 10.25791/aviakosmos.11.2018.258.
12. Minligareev V.T., Alekseeva A.V., Alekseev V.Yu., Kachanovskiy Yu.M., Pan'shin E.A., Repin A.Yu. Khotenko E.N. Kartograficheskoe obespechenie al'ternativnoy navigatsii po geofizicheskim polyam Zemli [Cartographic support for alternative navigation in the geophysical fields of the Earth], Spravochnik inzhenera. Tezisy dokladov Vserossiyskoy konferentsii «Izmereniya. Ispytaniya. Kontrol'» 23-25 oktyabrya 2018 g., g. Moskva, MVTS Krokus Ekspo [Engineer's Handbook. Theses of reports of the All-Russian conference "Measurements. Tests Control "October 23-25, 2018, Moscow, Crocus Expo IEC], 2018, No. 5, pp. 47-49.
13. Minligareev V.T., Alekseeva A.V., Kachanovskiy Yu.M., Pan'shin E.A., Tregubov V.V. Perspektivy kartograficheskogo obespecheniya anomal'noy sostavlyayushchey magnitnogo polya Zemli dlya resheniya prikladnykh zadach [Prospects for the cartographic support of the anomalous component of the Earth's magnetic field for solving applied problems], Geliogeofizicheskie issledovaniya: nauchnyy elektronnyy zhurnal [Heliogeophysical Research: Scientific Electronic Journal], 2018, No. 20, pp. 71-75. Available at: http://www.vestnik.geospace.ru. (accessed 31 January 2019).
14. Minligareev V.T., Alekseeva A.V., Kachanovskiy Yu.M., Tregubov V.V. Kartograficheskoe obespechenie aviatsionnykh magnitometricheskikh navigatsionnykh sistem [Cartographic support of aircraft magnetometric navigation systems], VI Mezhdunarodnaya nauchno-prakticheskaya konferentsiya «Aktual'nye voprosy issledovaniy v avionike: teoriya, obsluzhivanie, razrabotki» - «AVIATOR». Sbornik plenarnykh dokladov. 14-15 fevralya 2019 g. - VUNTS VVS «VVA im. prof. N.E. Zhukovskogo i YU.A. Gagari-na», g. Voronezh, 2019 [VI International Scientific and Practical Conference "Actual Research Issues in Avionics: Theory, Maintenance, Development" - "AVIATOR". Collection of plenary reports. February 14-15, 2019 - VUNTs VVSA VVA them. prof. NOT. Zhukovsky and Yu.A. Gagarin", Voronezh, 2019], pp. 8-12.
15. Tsirel' V.S. Aeromagnitometriya - ot A.A. Logacheva do nashikh dney [Aero Magnetometry -from A.A. Logachev to the present day], Geofizika [Geophysics], 1999, No. 2, pp. 4-6.
16. Sayt «Vserossiyskiy nauchno-issledovatel'skiy geologicheskiy institut im. A.P. Karpinskogo» [Site "All-Russian Research Geological Institute. A.P. Karpinsky"]. VSEGEI, 2016. Available at: http://www.vsegei.ru/ru/ (accessed 02 February 2019).
17. Dzhandzhgava G.I., Sazonova T.V. Matematicheskoe modelirovanie algoritmov opredeleniya koordinat neobitaemogo podvodnogo apparata s ispol'zovaniem informatsii o fizicheskikh polyakh Zemli [Mathematical modeling of algorithms for determining the coordinates of an uninhabited underwater vehicle using information about the physical fields of the Earth], Izvestiya YuFU. Tekhnicheskie nauki [Izvestiya SFedU. Engineering Sciences], 2016, No. 1 (174), pp. 102-110.
18. International Centre for Global Earth Models (ICGEM). Available at: http://icgem.gfz-potsdam.de (accessed 02 February 2019).
19. Pavlis N.K., Holmes S.A., Kenyon S.C., Factor J.K. The development and evaluation of the Earth Gravitational Model 2008 (EGM2008), Journal of geophysical research, 2012, Vol. 117. b04406, doi: 10.1029/2011jb008916.
20. Barthelmes F. Definition of functional of the geopotential and their calculation from spherical harmonic models // Helmholtz-Zentrum Potsdam - Deutsches GeoForschungsZentrum - Scientific Technical Report STR09/02. 2009, 32 p.
Статью рекомендовал к опубликованию д.ф.-м.н. В.И. Максимочкин.
Минлигареев Владимир Тимурович - Институт прикладной геофизики имени академика Е.К. Федорова (ФГБУ «ИПГ»); 129128, г. Москва, ул. Ростокинская, 9; e-mail: metrologeo@mail.ru; тел.: 84991815215; зам. директора по научной работе; д.т.н.; доцент.
Алексеева Александра Валерьевна - e-mail: аleks.seva@gmail.com; тел.: 84991815215; научный сотрудник.
Качановский Юрий Михайлович - e-mail: kachanovsky@ipggeospace.ru; тел.: 84991815215; главный метролог - ведущий научный сотрудник.
Репин Андрей Юрьевич - e-mail:director@ipg.geospace.ru; тел.: 84991878186; директор; д.ф.-м.н.; доцент.
Хотенко Елена Николаевна - e-mail: khotenko@ipg.geospace.ru; тел.: 84991878186; ученый секретарь; к.ф.-м.н.
Minligareev Vladimir Timurovich - Fedorov Institute of Applied Geophysics (FSBI "lag"); e-mail: metrologeo@mail.ru; 9, Rostokinskaya str., Moscow, 129128, Russia; phone: +74991815215; deputy director for science; dr. of eng. sc.; associate professor.
Alekseeva Alexandra Valerievna - e-mail: аleks.seva@gmail.com; phone: +74991815215; researcher worker.
Kachanovsky Yuri Mikhailovich - e-mail: kachanovsky@ipggeospace.ru; phone: +74991815215; chief metrologist - leading researcher.
Repin Andrey Yuryevich - e-mail: director@ipg.geospace.ru; phone: +74991815215; director; dr. of phis.-math. sc.; associate professor.
Khotenko Elena Nikolaevna - e-mail: khotenko@ipg.geospace.ru; phone: +74991878186; scientific secretary; cand. of phis.-math. sc.
УДК 629.056 Б01 10.23683/2311-3103-2019-1-258-270
С.А. Савельев, И.В. Соловьев
АЛГОРИТМ КОМПЛЕКСИРОВАНИЯ УГЛОМЕРНОЙ НАП ГНСС И ИНЕРЦИАЛЬНЫХ ДАТЧИКОВ УГЛОВЫХ СКОРОСТЕЙ ДЛЯ ОЦЕНКИ ОРИЕНТАЦИИ ПОДВИЖНОГО ОБЪЕКТА
Целью работы является повышение точности и помехоустойчивости оценок параметров ориентации и угловой скорости подвижного объекта путем комплексирования информации гироскопических датчиков угловых скоростей (ДУС) и угломерной навигационной аппаратуры потребителя (НАП) глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС). Для достижения этой цели проводится синтез алгоритма комплексной обработки информации угломерной НАП ГНСС и гироскопических ДУС, предназначенного для оценки параметров ориентации (матрицы, кватерниона), вектора погрешностей (дрейфов) гироскопов и вектора угловой скорости объекта. Особенностью представленного алгоритма является то, что задача оценки параметров ориентации и угловой скорости решается в два этапа: на первом этапе производится оценка кватерниона ориентации с помощью точечного алгоритма; далее полученный кватернион используется в качестве эффективного измерения в линейном фильтре Калмана. Измерения угломерной НАП ГНСС, представляющие собой разности фаз радиосигналов навигационных спутников, принятых антеннами, расположенными в различных точках пространства, приводятся к векторной форме, что позволяет использовать в качестве детерминированного алгоритма один из существующих быстрых алгоритмов решения задачи Вахба. Проводится ковариационный анализ точности полученного решения и выводится выражение для ковариационной матрицы ошибок оценки ориентации. Полученный кватернион (матрица) ориентации является оценкой максимального правдоподобия, что позволяет использовать его совместно с со-
