CC BY
15
tication, specifying the advantages and disadvantages of each of the listed means. And also considered the problems of available materials, research papers and, in general, methods used to identify users in information systems.
Key words: identification, authentication, information system, authentication
methods.
Chekmarev Dmitry Yurievich, master, thezver9 7@gmail. com, Russia, Tula, Tula State
University,
Borzenkova Svetlana Yurievna, candidate of technical sciences, docent, tehnol@rambler.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 681.3
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-3-515-520
КОМПЛЕКС МОДЕЛИРОВАНИЯ РАБОТЫ ИНЕРЦИАЛЬНО-СПУТНИКОВОЙ
НАВИГАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ
И.Д. Кузнецов, В.В. Матвеев
Приводятся результаты работы комплекса моделирования функционирования инерциально-спутниковой навигационной системы. Дана структурная схема системы, при помощи которой приведено описание взаимодействия ее внутренних блоков. Приведена математическая модель траектории в форме пространственной «восьмерки». Анализируется работоспособность комплекса на примере БИНС с микромеханическими чувствительными элементами.
Ключевые слова: комплекс моделирования, инерциально-спутниковая навигационная система, слабосвязанная схема комплексирования.
Введение. Совокупность тенденции уменьшения массогабаритных характеристик навигационных систем и развития цифровых технологий позволяет уделять особое внимание разработке бесплатформенных инерциальных навигационных систем (БИНС), основная идея которых заключается в размещении инерциальных чувствительных элементов непосредственно на борту подвижного объекта и переложении функций дорогой и габаритной гиростабилизированной платформы (ГСП) на вычислительное устройство (ВУ).
К сожалению, ряд таких преимуществ, как низкое энергопотребление, малые масса и габариты не способствуют широкому внедрению БИНС [1, 5]. Обусловлено это тем, что гироскопы и акселерометры, будучи жестко закрепленными на борту, функционируют в условиях постоянной вибрации и ударных воздействий. Ко всему этому добавляются погрешности самих чувствительных элементов, неточность первоначальной выставки, а также погрешности навигационных алгоритмов [1]. Отсюда вытекает необходимость комплексирования измерений БИНС с данными, имеющими неинерциальную природу происхождения, на пример с показаниями спутниковой навигационной системы (СНС), обладающими высокой точностью определения навигационных параметров и неподверженными накоплению погрешностей с течением времени.
Безусловно, на этапе проектирования навигационной системы любой комплектации и точности, проводится моделирование ее работы с целью выявления оптимального сочетания инерциальных чувствительных элементов, а также определения итоговых точностных характеристик разработанной системы при движении по траектории, учитывающей специфику перемещения реального объекта. Принимая во внимание вышеизложенные абзацы следует, что актуальной является задача автоматизации процесса моделирования работы комплексной инерциально-спутниковой навигационной системы с возможностью задания параметров траектории. Цель статьи заключается в разработке комплекса, удовлетворяющего данным условиям.
Структурная схема комплекса. Разработанный комплекс, структурная схема которого приведена на рис. 1, объединяет в себе сигналы СНС и БИНС по слабосвязанной схеме комплексирования. Блок 1 предназначен для формирования истинных геодезических координат, проекций вектора кажущегося ускорения, а также проекций вектора линейной и угловой скорости. Выходной сигнал поступает на вход блоков 2 и 3, реализующих соответственно модели измерений СНС и БИНС с параметрами Родри-га-Гамильтона.
Рис. 1. Структурная схема комплекса
Далее сигналы поступают на вход блока 4, который формирует разностные измерения. Данный этап исключает из рассмотрения навигационные параметры, что позволяет не проводить их статистическое описание и в дальнейшем дает возможность формировать непосредственно оценки погрешностей. Формирование вектора состояния системы, состоящего из погрешностей вычисления угла курса, навигационных параметров, погрешности построения вертикали, а также систематических составляющих погрешностей инерциальных датчиков, осуществляется блоком 5. Выходной сигнал блока формирования вектора состояния поступает на вход дискретного фильтра Калмана 6, который в свою очередь формирует вектор оценок погрешностей размерности [13*1].
Информация об оценках погрешностей вычисления навигационных параметров поступает в блок компенсации погрешностей вычисления 7, где вычитается из показаний БИНС, тем самым формируя выходной сигнал комплексной навигационной системы (КНС). Как отмечалось ранее, одной из первопричин возникновения погрешностей в выходном сигнале БИНС является наличие инструментальных погрешностей чувствительных элементов. Для их компенсации из вектора оценок, сформированного ФК, в алгоритм БИНС поступают оценки систематических составляющих погрешностей инерциальных датчиков, пересчитанные при помощи блока 8 к связанной СК, а по обратной связи 9 поступает информация об оценках погрешностей построения вертикали и вычисления угла курса.
Возможность изменения параметров блоков 2 и 3 в части характеристик ЧЭ и приемника СНС, а также возможность изменения параметров траектории в блоке 1, делают разработанный комплекс универсальным.
Математическая модель перемещения объекта по траектории типа «восьмерка». Наиболее оптимальным типом траектории, с точки зрения исследования функционирования спроектированной системы, является «восьмерка». Обосновывается это наличием этапов, в частности таких как набор высоты, прямолинейное движение и движение по пространственной кривой, позволяющих в полной мере провести оценку корректности функционирования системы.
Соотношения, описывающие сформированную пространственную «восьмерку», записываются
в виде:
N 0) = 33 sin Ш + ф),
(1)
Е(?) = 3 зт(2ю? + ф), Н
Н (?) = - [1 - ^(ю? + ф)],
где N(0 - перемещение в северном направлении, Е(?) - перемещение в восточном направлении, Н(?) -перемещение в вертикальном направлении, 3 = Ь/14,9437 - масштаб траектории [м], Ь - длина траектории [м], Н - максимальная высота, ю - частота циркуляции [с-1], ф - фаза циркуляции [рад].
С учетом выражений (1), изменение истинной широты и долготы задавалось выражениями:
, ч N (?)
Ф(0 ="У- + Ф0; (2)
Ц? ) =-Ш.-+ А,
Я • ^(ф(?)) 0 516
где фо, Хо - широта и долгота на момент начала работы алгоритма, Я - радиус Земли (принят равным 6371000 м).
Рис. 2. Отображение траектории движения объекта относительно поверхности Земного шара
(3)
Выражения для проекций вектора линейной скорости на оси географической системы координат представлены в виде:
^ (Г) = Ф'(*) • (Я + Н(Г));
^ (Г) = Ф'(*) • (Я + Н(Г));
У^ (0 = Г(0 • (Я + Н(0) • со<ф(0). Проекции вектора ускорения, подлежащие измерению акселерометрами, с учетом зависимо стей (1) - (3), формировались в соответствии со следующей моделью:
(4)
где и - угловая скорость вращения Земли.
Формирование проекций вектора абсолютной угловой скорости на оси связанной СК, отображающих входной сигнал датчиков угловой скорости, происходило по следующим зависимостям:
'УХ8 (0' и • С08(ф( 0) ^ (Ухг ( 0 ' ^'(0 • СО8(ф(0)' (У* ( 0 ' Г 0 V
п(0 = У?* (0 + 2 • и • 8ш(ф(0) X УГ2 ( 0 + А,'(0 • 8т(ф(0) X У* ( 0 + 9,8
1 ^ ( о, V 0 У 1(0 V 1 -ф'( о У 1У* (0 V V 0 У
абс ю х „ относ юх их8 у + у sin & их8
абс юу = юутнос + А = & sin у + у cos у cos & + А итя
абс ю2 юZTH0C 0 -у sin у cos & + & cos у 0
(5)
где А - матрица направляющих косинусов с параметрами Родрига-Гамильтона, их& и^ - проекции переносной угловой скорости вращения Земли на оси географического трехгранника, у, 9, у - углы ориентации подвижного объекта.
Результаты моделирования. Проверка корректности функционирования комплекса моделирования проводилась в среде МаАаЬ/БтиНпк. Задавались следующие параметры траектории: длина траектории Ь= 500 км, максимальная высота H = 5 км, время полета 1 час, средняя скорость 139 м/с. При движении объекта по траектории задавалось гармоническое изменение углов рыскания, тангажа и крена, амплитуды колебаний которых составили 3,6 °/с, 3,6 °/с и 18 °/с соответственно.
Параметры элементов систем, принятых при моделировании, представлены в таблице.
Результаты моделирования работы комплексной системы в части вычисления проекций вектора линейной скорости объекта (УХя, УУг, У^), приведенные на рис. 3-а, позволяют провести оценку качества компенсации погрешностей БИНС в процессе вычисления составляющих скорости. Исходя из представленного следует, что при комплексировании БИНС выбранной конфигурации с информацией от спутниковой навигации, возможно добиться следующих СКО погрешностей вычисления проекций вектора скорости: a(AУхg) = 0,42х10-3 м/с, с(ДУу8) = 0,13 м/с, = 5,2 м/с.
517
Параметры элементов при моделировании
Чувствительные элементы БИНС
Тип датчика Систематическая составляющая погрешности Случайная составляющая погрешности
Микромеханический гироскоп (ММГК - 100) 6 °/ч (2,9-10-5 рад/с) 3,17 °/ч (1,5410-5 рад/с)
Микромеханический акселерометр (МА - 20) 0,11910-4 § (0,11910-3 м/с2) 62,5 ^ (6,25-10-5 м/с2)
Спутниковая аппаратура
и-Ь1ох ШО-6М Мощность шума в измерениях координат (При выработке приемником СНС информации с частотой 1 Гц) Мощность шума в измерениях проекций вектора скорости
- широта, долгота: (0,5°)2 - высота: (2 м) 2 (0,1 м/с)2
1ДГъ, м/с
ь.
0.1! 0 -0.1 -0.2 -03 -0.4
500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
АУу& м/с
500 1000 1500 200« 2500 3000 3500
С
II 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
А 15 10 5 0 м/с
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
Рис. 3. Результат вычисления проекций линейной скорости (а)
При вычислении погрешностей в качестве «эталонных» принимались истинные значения проекций линейной скорости, законы изменения которых были описаны в выражениях (3).
Применяя выражения истинных координат (2), аналогично действиям, описанных в предшествующем абзаце, проведем оценку компенсации погрешностей в ходе комплексирования. Из анализа результатов вычисления координат подвижного объекта (рис. 3-б) следует, что БИНС, погрешности которой скомпенсированы в ходе комплексирования со спутниковой навигационной информацией, позволяет определять координаты местоположения подвижного объекта относительно поверхности Земли со следующими СКО погрешностей вычисления: о(Дф) = 0,1*10-4 град, с(ДХ) = 3,2*10-6 град, с(М) = 1,68 м/с.
X, град
- 11с ШПИНИ ДОЛГ DU Вычисленная долгота
с
501) 1000 1500 2000 2500 3000
3500
500 11)00 1500 2 ПОП 2500 3000 J500
ДХхДО"6, град
500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Рис. 3. Результат вычисления координат подвижного объекта (б)
Как отмечается в книге [1], вертикальный канал является наиболее нестабильным. Для увеличения точности вычисления высоты имеет место комплексирование высотного канала БИНС с баро- или радио-высотомером.
Стоит отметить, что комплекс предусматривает возможность изменения параметров чувствительных элементов БИНС, тем самым позволяя осуществлять подбор оптимального сочетания инерци-альных элементов в зависимости от задач, поставленных при проектировании навигационной системы.
Заключение. Разработанный комплекс, функционал которого включает возможность задания модели траектории перемещения подвижного объекта, а также параметров составных частей комплексной навигационной системы, позволяет значительно сократить временной ресурс на этапе исследования спроектированной системы. Присутствует возможность анализа процессов, протекающих в подсистемах комплекса, что позволяет отслеживать работу алгоритмов на любом интервале времени моделирования. Второстепенно можно отметить, что в результате проведения моделирования работы комплекса подтверждена возможность построения комплексной навигационной системы на базе БИНС с микромеханическими датчиками первичной информации.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования РФ в рамках государственного задания по теме «Развитие теории инерциальных датчиков первичной информации для навигационных систем высокоманевренных летательных аппаратов (FEWG-2022-0002)».
Список литературы
1. Матвеев В.В., Распопов В.Я. Основы построения бесплатформенных систем. СПб.: ГНЦ РФ ОАО "Концерн "ЦНИИ Электроприбир", 2009. 280 с.
519
2. Б.С. Алешин, А.А. Афонин, К.К. Веремеенко, Б.В. Кошелев, В.Е. Плеханов, В.А. Тихонов, А.В. Тювин, Е.П. Федосеев, А.И. Черноморский. Ориентация и навигация подвижных объектов: современные информационные технологии. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006. 424 с.
3. Bortz J.E. A new concept in strapdown inertial navigation [Ph.D. dissertation], Massachusetts In-stitiute of Technology, Cambridge, Mass, USA, 1969.
4. Savage P.G. Strapdown inertial navigation integration algorithm design. Part 1. Attitude algorithms // Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 1998. vol. 21, no. 1. P. 19-28.
5. Емельянцев Г.И., Степанов А.П. Интегрированные инерциально-спутниковые системы ориентации и навигации/ Под общей ред. акад. РАН В.Г. Пешехонова. СПб.: ГНЦ РФ АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2016. 394 с.
Матвеев Валерий Владимирович, д-р. техн. наук, профессор, ведущий научный сотрудник молодежной лаборатории инерциальных датчиков первичной информации, систем ориентации и навигации, matweew.valery@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Кузнецов Илья Дмитриевич, магистрант, mrpomidorko66566@gmail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
WORK SIMULA TION COMPLEX INERTIAL-SATELLITE NAVIGATION SYSTEMS
V.V. Matveev, I.D. Kuznetsov
The results of the operation of the complex for modeling the functioning of an inertial satellite navigation system are presented. A block diagram of the system is given, with the help of which a description of the interaction of its internal blocks is given. A mathematical model of the trajectory in the form of a spatial "eight" is given. The performance of the complex is analyzed using the example of SINS with micromechanical sensitive elements.
Key words: simulation complex, inertial satellite navigation system, loosely coupled integration
scheme.
Matveev Valery Vladimirovich, doctor of technical sciences, professor, leading researcher of the Youth Laboratory of inertial sensors of primary information of orientation and navigation systems, mat-weew.valery@yandex.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Kuznetsov Ilya Dmitrievich, master, mrpomidorko66566@gmail. com, Russia, Tula, Tula State
University
УДК 04.056
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-3-520-526
УГРОЗА ИНФОРМАЦИОННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ОПТИМИЗАЦИИ КОМПИЛЯТОРОМ ФУНКЦИИ MEMSET В ЯЗЫКЕ ПРОГРАММИРОВАНИЯ С++
Г.В. Семенчев, С.Ю. Борзенкова
В статье исследована угроза безопасности, возникающая из-за оптимизации компилятором функции memset при разработке программного обеспечения на языке программирования С++.
Ключевые слова: оптимизация, компилятор, угроза, разработка.
Современные предприятия как коммерческие, так и государственные, зачастую, разрабатывают собственное программное обеспечение (ПО). Очень часто разработка таких утилит осуществляется на С++, который входит в тройку самых популярных языков программирования.
С++ - это быстрый многофункциональный язык, скорость работы которого обеспечивается компилируемостью, относительной низкоуровневостью и оптимизациями компилятора. Однако последнее может привести к трудноотлаживаемым ошибкам, способным вывести из строя программное обеспечение или создать угрозу информационной безопасности предприятия. Об одной такой будет рассказано в данной статье.
Существует две категории языков программирования: интерпретируемые (Python, PHP) и компилируемые (Haskell, Rust). С++ относится к последней группе. Это означает, что специальная программа (компилятор) превращает код, написанный разработчиком, в исполняемый файл, который после этого запускается.
