CC BY
65
СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ, УПРАВЛЕНИЕ И ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ
УДК 629.7.05
КОРРЕКЦИЯ АЗИМУТАЛЬНОЙ ОШИБКИ БЕСПЛАТФОРМЕННОЙ ИНЕРЦИАЛЬНОЙ НАВИГАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ С ПОМОЩЬЮ РАДИОТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
ЛОКАЛЬНОЙ НАВИГАЦИИ
В.В. Щербинин, Г. А. Кветкин, А.В. Измайлов-Перкин, И. Л. Ажгиревич
Предложены способ определения курса с помощью радиотехнической системы локальной навигации, а также способ коррекции соответствующей ошибки БИНС как части интегрированной радиоинерциальной навигационной системы. Приведены результаты камеральной обработки экспериментальных данных, на основании чего сделаны выводы о точности такой коррекции и предложены геометрические требования к объекту навигации.
Ключевые слова: радиотехническая система локальной навигации, радионавигация.
В настоящее время бесплатформенные инерциальные навигационные системы (БИНС) являются основным навигационным средством большинства морских и воздушных судов, а также широко распространены на сухопутном транспорте. Однако их использование сопряжено с принципиальным ограничением, свойственным БИНС по природе, - непрерывным накоплением ошибок определения координат и углов ориентации, в том числе и курса. В связи с этим широкое распространение получили интегрированные навигационные системы, в которых показания БИНС корректируются с использованием информации внешних, более достоверных источников. Такими источниками зачастую служат глобальные навигационные спутниковые системы (ГНСС), а при повышенных требованиях к автономности интегрированных систем в качестве корректирующей системы может выступать, например, допплеровский измеритель скорости и угла сноса для воздушного судна: лаг - для морского или одометр - для сухопутного объекта.
В АО «ЦНИИАГ» проведена работа по созданию интегрированной радиоинерциальной навигационной системы, основанной на комплексиро-вании низкоточной БИНС на микромеханических элементах и радиотехнической системы локальной навигации (РТСЛН). Последняя является ра-диодальномерной навигационной системой и включает в себя как бортовой, так и наземный сегменты оборудования. Наземный сегмент оборудования включает от четырёх до восьми компактных переносных наземных радиомаяков (НРМ), в состав которых входят радиоэлектронный модуль (РЭМ), ответчик с антенным устройством (АУ) и блоком питания (БП), представленные на рис. 1.
Рис. 1. Общий вид НРМ
Количество НРМ и их расположение на местности зависят от необходимой площади формируемого искусственного радионавигационного поля, рельефа местности, а также от наличия препятствий для радиодаль-номерных измерений (ангар, здание, забор и пр.). Бортовой сегмент представляет собой РЭМ-запросчик с малогабаритным антенным устройством и преобразователь электропитания.
Принцип расчёта координат в РТСЛН. Определение навигационных параметров в РТСЛН происходит с использованием метода мульти-латерации, в основу которого положен метод наименьших квадратов. Зная координаты НРМ и измеряя дальности до них, возможно определить местоположение объекта [1 - 5]. К достоинствам данной системы можно отнести то, что она определяет местоположение объекта в той же системе координат, в которой привязаны НРМ. В данной статье используется локальная географическая система координат (ОЕ0М0ир0), начало которой совпадает с некой характерной точкой, ось Е направлена на восток, ось N направлена на север, ир - по местной вертикали.
Исследование точности автономного решения РТСЛН приведено в [1], где отмечается, что непосредственно использовать координаты, выработанные РТСЛН, затруднительно.
Комплексирование БИНС и РТСЛН. Данным системам свойственны ошибки, носящие разнородный характер: высокочастотный центрированный шум (РТСЛН) и достаточно монотонная функция (БИНС). Это позволяет построить комплексированную систему, в которой их недостатки были бы скомпенсированы: высокая частота выработки решения РТСЛН позволяет существенно ослабить требования к точности БИНС.
В работах [2 - 4] рассмотрена такая система, построенная по слабосвязанной схеме, в которой ошибка навигационного решения по курсу не компенсируется, что приводит к существенному снижению эффективности коррекции показаний БИНС с течением времени. На рис. 2 изображены оси навигационной системы координат (СК) (ОЕНИНирН) и ее образ, формируемый в вычислителе БИНС - платформенная СК (ОЕплЫплирпл), которые рассогласованы по углу курса на величину ошибки Ду (рассогласованием по другим углам в данной постановке задачи пренебрежем). Ошибки в определении координат (ДЕ, ДК) БИНС оцениваются по внешним источникам информации в навигационной системе координат Ътн , но компенсируются в платформенной Ъгпл. Таким образом, в результате неполной компенсации накапливается ошибка навигационного решения 8/у, которая входит в комплексное решение. Символом А обозначено решение по координатам автономной БИНС, символом И - истинные координаты, а К - результат комплексирования.
Рис. 2. К определению ошибки комплексного решения
В условиях роста курсовой ошибки в комплексном решении БИНС/РТСЛН происходит рост и ошибки определения координат, хотя и с меньшей скоростью, чем в автономной БИНС. Это приводит к тому, что
5
время работы БИНС при данном типе коррекции существенно ограничено, а для преодоления данного ограничения требуется получать внешнюю информацию и об угле курса носителя.
Схема измерения угла курса с помощью РТСЛН. В работах по ГНСС [6] исследованы способы оценки углов ориентации носителя, предполагающие измерение координат двух связанных с ним точек с последующим нивелированием. Аналогичная схема может быть использована для оценки с помощью РТСЛН курса носителей достаточной протяжённости.
Для этого на носителе размещаются на некотором удалении друг от друга два РЭМ-запросчика, при этом неявно предполагается, что координаты РЭМ-запросчиков определяются по отношению к одному моменту времени. Указанную схему поясняет рис. 3.
Рис. 3. Схема измерения курса носителя с помощью РТСЛН
Для простоты рассмотрим плоскую задачу: пусть Р^ и Р2 - координаты 1 и 2 РМ-запросчика соответственно. Задача определения курса носителя может быть сведена к задаче определения ориентации вектора АР = Р2 - Р1 для случая, если точка Р2 находится в передней части носителя.
Точность определения курса по данному способу ограничена преимущественно двумя факторами: точностью привязки координат РМ-запросчиков к носителю и точностью непосредственно определения их координат. Методическую составляющую, связанную с рассогласованием направлений продольной оси носителя и вектора АР, допустимо не рассматривать ввиду возможности её полной алгоритмической компенсации.
Дисперсию оценки координат вектора АР с помощью РТСЛН можно определить как
£[АР] = + Б[Р2 ],
иными словами, принимая некоррелированный характер оценивания координат РЭМ-запросчиков и пренебрегая ввиду несущественности эффектами коллизий при конкурентных запросах.
Результаты моделирования. Для подтверждения точностных показателей системы допустимо использовать данные, накопленные в ходе предшествующей отработки РТСЛН, в частности, на наземном объекте [5].
Предположим, что носитель движется внутри многоугольника, образованного РМ-ответчиками, которые находятся на удалении ~10 км от него. Также для простоты, но не нарушая дополнительно общности, предположим, что движение носителя представляет собой плавный разворот по курсу с постоянной угловой скоростью в отсутствие поступательной скорости. Тогда вырабатываемый РТСЛН закон изменения координат РЭМ-запросчиков, размещённых на носителе, имеет следующий вид:
г1 г2
г1 г2
+
И
5Н
§ г 2
г10 т)
+
И
5Н
К 2
где г\ = [Е N] - радиус-вектор ¿-го РЭМ-запросчика; ?ю - координаты
РЭМ-запросчика, находящегося в неподвижной точке носителя; ЪГ1 -ошибка определения координат РТСЛН.
В работах [1, 5] показано, что ЪГ1 имеют характер нецентрирован-ного шума, который также не является стационарным ввиду изменяющихся во времени и в связи с движением носителя условиями радиовидимости (а также её нарушения) между РЭМ-запросчиком и РЭМ-ответчиком.
На рис. 4 приведена типичная реализация ошибки определения координат, в которой СКО наложенного шума составляет 1,8 м.
Рис. 4. Ошибка определения координат с помощью РТСЛН
Для проведения моделирования на истинные координаты РЭМ-запросчиков были наложены соответствующие ошибки, а курс носителя оценивался по полученной выборке в предположении, что РМ-запросчики разнесены друг от друга на 100 м.
На рис. 5 изображены два облака точек «Координаты РЭМ1» и «Координаты РЭМ2», которые показывают результат зашумления эталонных координат («Начало отсчёта» и «Эталонная траектория» соответственно). Угол рассогласования между двумя стрелками изображает максимальную ошибку по курсу, полученную в выборке: одна из стрелок указывает из начала координат на точку эталонной траектории, а другая - на ее положение, определенное РТСЛН с ошибкой. Угол между ними и есть ошибка оценивания курса.
О 20 40 60 ВО 100
Ё
Рис. 5. Результаты моделирования измерений координат РТСЛН
Зависимость ошибки определения курса от времени моделирования приведена на рис. 6.
* „Сырая" — Сглаженная
9 ' (>••< " 1 » • ■ *1 1 . л' * - : 1 1
■< ■ 1 * т • - ^ *. 1 1 Щ » ч " Ж % ■ ■ п
О 2 4 6 3 10 12 14 16 13 20
I, сек
Рис. 6. Ошибка определения курса
По итогам моделирования математическое ожидание ошибки определения курса составило порядка 0,08° с СКО 0,1°.
8
Компенсация ошибки БИНС. В [7] представлен алгоритм интегрированной навигационной системы, в которой в качестве системы коррекции используется GPS. Полученная в настоящей работе оценка курса РТСЛН может быть непосредственно использована в алгоритме БИНС для расчёта угловой скорости коррекции, используемой для управления ориентацией платформенной системы координат:
wUp = -k (yБИНС - yРТСЛН ), где к - коэффициент коррекции; yБИНС - курс, определяемый автономной БИНС; yРТСЛН - курс, определяемый РТСЛН.
Рис. 7 иллюстрирует результат коррекции предложенным способом автономного решения БИНС по курсу, полученного в одном из экспериментов. График «БИНС» показывает ошибку автономного решения БИНС, «РТСЛН» - ошибку определения курса с помощью РТСЛН, а «Компл. решение» - ошибку курса БИНС, скорректированной по РТСЛН. Таким образом, за время 5-минутного эксперимента ошибка определения угла курса с помощью автономной БИНС составила порядка 2°, а с учетом коррекции по курсу, выдаваемому РТСЛН, ошибка не превысила 0,1°, причем в данных показаниях устранен тренд роста ошибки с течением времени.
2 г
О 50 100 150 200 250 300
| сек
Рис. 7. Результат коррекции курса БИНС по измерениям РТСЛН
Заключение. В статье представлен способ компенсации ошибки БИНС по курсу по измерениям РТСЛН. Эффективность коррекции продемонстрирована на примере использования низкоточной БИНС: быстро нарастающую ошибку курса удается скомпенсировать, что обеспечивает по-
9
вышение точности комплексного решения. При моделировании на 5-минутном интервале ошибку автономной БИНС, составляющую порядка 2°, удается снизить до 0,1°.
Список литературы
1. 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.
2. Щербинин В.В., Свиязов А.В., Кветкин Г.А. Результаты лётных испытаний макета автономного навигационного комплекса ДПЛА // Известия ЮФУ. Технические науки. 2015. №1 (162). С. 6 - 13.
3. 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.
4. Автономный навигационный комплекс для роботизированных наземных и летательных аппаратов / В.В. Щербинин, А.В. Свиязов, С.В. Смирнов, Г.А. Кветкин // Известия ЮФУ. Технические науки. 2014. №3. (152). С. 234 - 243.
5. Исследование точностных характеристик автономной системы ближней радионавигации при использовании на стационарном объекте / В.В. Щербинин, Г. А. Кветкин, А.В. Измайлов-Перкин, Е.В. Шевцова // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2016. Вып. 11 Ч. 3. С. 53 - 60.
6. Перов А.И., Харисов В.Н. (ред.). ГЛОНАСС. Принципы построения и функционирования. 4-е изд., перераб. и доп., М.: Радиотехника, 2010. 800 с.
7. Salychev O.S. Applied Inertial Navigation: Problems and Solutions. BMSTU Press, 2004.
Щербинин Виктор Викторович, д-р техн. наук, нач. научно-технического отделения, cniiag@cniiag. ru, Россия, Москва, АО «Центральный научно-исследовательский институт автоматики и гидравлики»,
Кветкин Георгий Алексеевич, канд. техн. наук, нач. лаборатории, cniiagacniiag.ru, Россия, Москва, АО ««Центральный научно-исследовательский институт автоматики и гидравлики»,
Измайлов-Перкин Александр Викторович, инженер, cniiagacniiag. ru, Россия, Москва, АО ««Центральный научно-исследовательский институт автоматики и гидравлики»,
Ажгиревич Игорь Леонидович, инженер, cniiagacniiag.ru, Россия, Москва, АО «Центральный научно-исследовательский институт автоматики и гидравлики»
HEADING ERROR COMPENSATION IN A STRAPDOWNINERTIAL NAVIGATION SYSTEM BY MEANS OF RADIO TECHNICAL SYSTEM FOR LOCAL NAVIGATION
V. V. Scherbinin, G.A. Kvetkin, A. V. Izmaylov-Perkin, I.L. Azhgirevich
This paper presents an algorithm for heading estimation by means of the Radio Technical System for Local Navigation (RTSLN), as well as an algorithm for compensation of the corresponding error of an inertial navigation system. Post-processing results of the experimental data are provided with further conclusions made about the accuracy of such a method.
Key words: radio technical system of local navigation, radionavigation.
Scherbinin Vwtor Victorovich , doctor of technical sciences, head of research department, cniiag®,cniiag. ru, Russia, Moscow, JSC "Central Research Institute for Automatics and Hydraulics ",
Kvetkin Georgy Alekseevich, candidate of technical sciences, head of laboratory, cniiag®,cniiag. ru, Russia, Moscow, JSC "Central Research Institute for Automatics and Hydraulics ",
Izmaylov-Perkin Alexander Victorovich, engineer, cniiagacniiag.ru, Russia, Moscow, JSC "Central Research Institute for Automatics and Hydraulics",
Azhgirevich Igor Leonidovich, engineer, cniiagacniiag. ru, Russia, Moscow, JSC "Central Research Institute for Automatics and Hydraulics"
