Контроль и адаптивно-робастная оценка состояния интегрированных навигационных систем на базе квантово-оптических измерителей Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Сухомлинов Д.В., Чернодаров А. В., Патрикеев А.П.

Военный учебно-научный центр ВВС «Военно-воздушная академия имени профессора Н. Е. Жуковского и Ю. А. Гагарина»

КОНТРОЛЬ И АДАПТИВНО-РОБАСТНАЯ ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ ИНТЕГРИРОВАННЫХ НАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ НА БАЗЕ КВАНТОВО-ОПТИЧЕСКИХ ИЗМЕРИТЕЛЕЙ

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ 11-08-01174-а.

Современное состояние авиационной техники характеризуется внедрением навигационных комплексов (НК) нового поколения. Ядром таких НК являются бесплатформенные инерциально-спутниковые навигационные системы (БИСНС) на базе квантово-оптических измерителей: лазерных или волоконно-оптических гироскопов. В настоящее время актуальной остается задача повышения информационной надежности и обеспечения безотказности функционирования НК на базе БИСНС в сложных условиях эксплуатации. Аппаратные технологии решения данной задачи опираются на комплексирование БИСНС с навигационными системами (НС), работа которых основана на других физических принципах, например, с корреляционно-экстремальной НС (КЭНС), функционирующей по полю рельефа земной поверхности, и др.

Рассматриваемые в работе аналитическиеподходык обеспечению безотказного функционирования НКо-пираются на единую технологию оценивания параметров состояния, контроля и парирования нарушений в НК. Структура такой технологии представлена на рисунке 1, где обозначены:#?, 1 - географические

координаты объекта

V -

вектор

его траекторной скорости;

z - сигналы наблюдений; Хщ - вектор

оценок ошибок НК Xi на i-м шаге по i наблюдениям; Vj — Zj — H О jXj_ц j- обновляющая последовательность (невязка); Ф— переходная матрица для вектора ошибок НК; Hi - матрица коэффициентов связи; Pi/i - ковариационная матрица ошибок оценивания, формируемая фильтром Калмана илиадаптивно-

робастным фильтром; (...) - символ оценки; БИНС - бесплатформенная НС; СНС - спутниковая НС.

Рисунок 1- Структура единого технологического цикла оценивания параметров состояния, контроля и парирования нарушений в НК

Контроль НК опирается на технологию поканальной (поэлементной) обработки вектора наблюдений

Z — {V-z/},

позволяющую контролировать НК по обобщённым параметрам, характеризующим состоя-

ние каждого из l измерительных каналов. Например, для контроля j-го измерительного канала исполь-

зуется нормированная невязка

b —Vj 1 aj , где CCj - параметр масштаба; j — 1, / .

Статистические

свойства указанных невязок используются для построения решающих правил, а именно: при отсутствии разладки между прогнозируемым и реальным наблюдениями квадрат нормированной невязки имеет

распределение

С* , а отношение реальной a2 и прогнозируемой О2 дисперсий невязок

распределе-

j 1 1 ' j

ние J2 . Для данных распределений математическое ожидание и дисперсия имеют табулированные значе-

ния. Необходимые условия исправного состояния НК по j-му элементу вектора наблюденийZj

вытекают

из свойств невязки

V

и имеют вид

VeN(0,a2); PJ — vJI aJє/2(1,2); F. —ajI a*eJ(b,c),

где b;c - табулированные значения математического ожидания и дисперсии для распределения

Используя свойства распределений

С2 и J2 ,

а также правило

3а

[1] могут быть сформированы

допуски

gj и h2

j-му каналу вектора наблюдений

P <g2 — 1 + 3/2 » 5.2; F. <h2 — b+3І2с.

соответственно на исправное и работоспособное состояние интегрированной НС по

Параметр p2 формируется по текущей невязке и отражает текущее состояние j-го канала вектора

наблюдений. Его отклонение от допуска g2 может быть связано как с кратковременными сбоями, так и с отказами. Параметр Fj формируется по усреднённому множеству значений невязки на скользящем временном интервале. Поэтому его отклонение от допуска h2 может быть связано с постепенным отказом. При отсутствии нарушений невязка Vjобрабатывается обобщённым фильтром Калмана, парирование отказа осуществляется путём подключения резервного канала, а парирование кратковременного сбоя - путём адаптивно-робастной обработки невязки с использованием функции влияния Y(P)

[1],устанавливающей меру доверия к поступающим наблюдениям.

Вычислительно устойчивая U-D модификация адаптивно-робастного фильтра [1] с функцией влияния

Y(b)

в контуре настройки может быть представлена следующим алгоритмом

А

А

Прогноз: mg — Х(І / І —і) — О j X (І —1 / І —1) ;

MWGS

W о — [Fj UM/M M G ]

Dо — diag (D-^^, Qj—1)

Настройка: V, — Z, і —i ; fij —V, / (Xj ;

y —УР); y—yP);

Коррекция: fj — H jU j ; V j — Dj —і fj ;

a

fjVj y'+a2; Kj — Ul_lVl / a,,

MWGS

J J-—1 •

W, — [Kj fy(pUj_;:KJ_

. Dj — diag(Dj—гау)

А __

— m—+Kjjj; U/, —Ur D/,—D,; »/ j — m; J—11 ■

где

Г. -

/

переходная матрица для вектора возмущений

Xi—1

размерности rxl

; Qi -

ковариационная

матрица для вектора

xi—i;

MWGS

процедура [1] преобразования совокупности матриц Wt

размер-

®U 0; D0

ности

ности

n x (n + r) и D,

размерности

(n + r) x (n + r)

в совокупность матриц uj . dj

n X n ; n -размерность вектора ошибок НК; Ui/iDi/iUi/i — Pi/i - ковариационная

размер-

матрица

ошибок оценивания.

В работе [1] предложены и обоснованы следующие значения функции влияния, учитывающиеаприорные предположения о законах распределений полезного сигнала и помехи,

Wg (Pj ) — bj ; y'g (Pj ) — 1

для кондиционных значений невязок

У I (Pj) —11; W'i (pj) — 0

y\g(Pj) — p/3 ; y[g(pj)—1/3

делений: 3 <pj < 6 .

для аномальных значений невязок:

: 0 <P £ 3 ; Pj > 6 ;

- для значений невязок в условиях неопределенности распре-

Предлагаемая технология обработки наблюдений была апробирована и показала свою эффективность в инерциально-спутниковых навигационных системах БИНС-500 на волоконно-оптических гироскопах (НПК «ОПТОЛИНК», Зеленоград) и БИНС ГЛ-1Д на лазерных гироскопах (НПК «Электрооптика», Москва).

Некоторые результаты экспериментов по оценке точностных характеристик системы БИНС-500 представлены на рисунках 3-7.

Эксперименты проводились в наземных условиях с размещением оборудования в подвижной лаборатории. Циклограмма работы системы БИНС-500: начальная выставка(б=0^б00с); навигационный режим (t

>600 с).

На рисунках 3, 4показана горизонтальная траектория движения и истинный курс системы БИНС-500, на рисунке 5 - оценка остаточного дрейфа одного из ВОГ, на рисунке 6 - круговая ошибка оценки

местоположения системы DS , соответствующая счислению параметров движения без демпфирования аномальных сигналов и остаточных дрейфов ВОГ.

Рисунок 2 - Интегрированная навигационная система БИНС-500

Рисунок 3 - Горизонтальная траектория движения системы БИНС-500

Рисунок 4 - Угол истинного курса системы БИНС-500

На рисунке 7 показана круговая ошибка DS , соответствующая автономному счислению параметров движения БИНС с учетом парирования сбоев ВОГ, а также с учетом периодического (при наличии сигналов СНС) уточнения и компенсацииоценок дрейфов ВОГ. Это позволило более, чем на порядок, умень-

шить ошибку

DS .

Рисунок 6 - Динамика изменения позиционной ошибки без демпфирования аномальных сигналов и

дрейфов ВОГ

Рисунок 7 - Динамика изменения круговой позиционной ошибки при парировании сбоев и демпфировании остаточных дрейфов ВОГ

Проведенные исследования показывают, что контроль и парирование аномальных сигналов (сбоев) на уровне первичной и вторичной обработки наблюдений, а также настройку моделей ошибок навигационных измерителей по результатам диагностической идентификации можно рассматривать как одно из средств обеспечения безотказного функционирования НК в реальных условиях эксплуатации.

ЛИТЕРАТУРА

1.

ВВС.

Колодежный Л.П., Чернодаров А.В. Надежность и техническая диагностика: Учебник дляВУЗов

- М.:ВУНЦ ВВС «ВВА им. проф . Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина», 2010. - 452с.