CC BY
248
ГИРОСКОПЫ И НАВИГАЦИЯ
УДК 681.2.089:681.2.087
К.К. Веремеенко, канд. техн. наук, доц., 8(499)158-12-02, nio3@mai.ru
(Россия, Москва, НИУ МАИ),
И.А. Галай, асп. 8(916)640-77-28, igorgalay@me.com
(Россия, Москва, НИУ МАИ)
ЛАБОРАТОРИЯ ИСПЫТАНИЙ ИНЕРЦИАЛЬНЫХ НАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ
Рассмотрены состав и структура, определены основные элементы лаборатории испытаний инерциальных навигационных систем. Предложена структура программно-математического обеспечения. Рассмотрен вопрос включения лаборатории в состав локальной вычислительной сети. Приведен пример работы программного комплекса имитационного моделирования процесса калибровки инерциальной системы.
Ключевые слова: испытания, инерциальные навигационные системы, калибровка, поворотные столы, программно-математическое обеспечение.
Общие задачи лаборатории
Создание систем ориентации и навигации нового поколения и развитие интеллектуальных транспортных систем определяют постоянный рост требований к точности навигационных комплексов. Одним из основных способов повышения точностных характеристик инерциальных навигационных систем является калибровка первичных измерителей - гироскопов и акселерометров. Под калибровкой понимается процесс определения или уточнения параметров принятой математической модели датчиков. Для проведения полунатурных испытаний и калибровки необходимо дорогостоящее оборудование, которое позволяет проводить тестирование различных типов чувствительных элементов от микромеханических гироско-
пов и акселерометров низкой точности до высокоточных гироскопов и акселерометров. Созданная на базе кафедры 305 и Центра спутниковых информационных технологий МАИ «Лаборатория испытаний инерциальных навигационных систем» открывает возможности для определения с высокой точностью ошибок систем, связанных как с погрешностями первичных измерителей, так и с особенностями функциональных алгоритмов, тестирования и калибровки разрабатываемых комплексов ориентации и навигации на различных этапах жизненного цикла изделия. Основными инструментальными факторами, приводящими к ошибкам в инерциальных системах, являются собственный дрейф гироскопов и ошибки акселерометров, обычно представляемые постоянной составляющей, ошибкой масштабных коэффициентов, ошибками, зависящими от перегрузок, и ошибками неортогональности и перекоса осей блоков чувствительных элементов, температурной нестабильностью и другими причинами [1, 2, 3]:
М = / + / + ВД3 + ВД4 + ВД5 + «'/б ,
^2 = / + /22 + + «2^24 + «3^25 + n2V2б,
АП3 = / + / + + П2^34 + П3^3Ъ + n^/зб,
А^! = 3ц + $2 + $3 + + N 2 $15 + N3^6 + О1 &17 + О2$18 + О3$19
АО 2 = 321 + 322 + 323 + И1324 + П2^Т 5 + «331б + О1317 + О 2318 + О3319 + Ц^ДО + О 232,11 + О 332,12, АО3 =^31 + $32 + $33 + «1^34 + «2^35 + «3^36 + + ^^2$38 + ^^3$39 +^^2^3 10 + ^^2^3 11 + ^^ $3 12,
где Апщ - инструментальные ошибки акселерометров; / 0 = 1,2,3) -постоянные смещения нуля акселерометров; / 2 (г = 1,2,3) - измерительные шумы акселерометров; /и+2 (г = 1,2,3) - погрешности масштабных коэффициентов акселерометров; / 6 (г = 1,2,3) - ошибка нелинейности акселерометров, /и ,/2Ъ,/ ,/ъ,/ - погрешности из-за неортогональности и перекоса осей чувствительности акселерометров; АО ,АО2 ,АО3 - инструментальные ошибки гироскопов; 3а ,312Д3 (г = 1,2,3) -постоянные, температурные дрейфы гироскопов и их случайные измерительные шумы; (г = 1,2,3; у = 4,5,6) - удельные скорости дрейфа
гироскопов, пропорциональные перегрузкам (в разных типах гироскопов причины такой зависимости могут быть разными; например, в механических гироскопах такая зависимость объясняется небалансом гироскопов); $17 Д8 Д9 - погрешности масштабных коэффициентов гироскопов; $18 ,&19,3 ,$29,$37,3 - дрейфы из-за не ортогональности и перекоса осей чувствительности гироскопов.
Исследование общих свойств инерциальных систем, их тестирование, анализ погрешностей первичных датчиков и определение параметров их моделей составляют основные задачи создаваемой лаборатории.
58
Состав лаборатории
Аппаратную основу лаборатории составляют четыре стенда - двухосный поворотный стенд, малый одноосный поворотный стенд, центрифуга, имитатор спутниковых навигационных сигналов.
Двухосный поворотный стенд АСЮуп ST2356 [4, 5] (рис. 1) представляет собой прецизионное устройство, позволяющее в лабораторных условиях моделировать угловые перемещения подвижных объектов. Данный стенд позволяет решить задачи калибровки гироскопов и акселерометров высокого уровня точности, а также исследовать инерциальные навигационные системы, построенные на датчиках подобного типа. Использование двухосевого стенда позволяет также исследовать особенности работы численных алгоритмов инерциальных навигационных систем (ИНС). В частности, алгоритмы ориентации бесплатформенных ИНС (БИНС). С этой целью на двухосном стенде задается коническое движение испытуемой системы. Известно, что такой тип движения наиболее неблагоприятен для алгоритмов ориентации БИНС. С целью исследования влияния температурного фактора установленный двухосный поворотный стенд оборудован термокамерой, обеспечивающей установку любых температур в диапазоне -55... +90 оС.
Рис. 1. Двухосный поворотный симулятор ST2356
Одноосный поворотный стенд АСЮуп RT1111 - инструмент для тестирования и тонкой настройки микромеханических гироскопов и акселерометров. С помощью подобного оборудования французской фирмы Ас^уп можно исследовать функционирование микромеханических гироскопов и акселерометров в широком диапазоне угловых скоростей, не за-
59
действуя при этом более дорогостоящее и энергозатратное оборудование.
Центрифуга АСЮуп С-18 используется для калибровки высокоточных акселерометров и проверки работоспособности гироскопов в условиях значительных перегрузок.
Существенным элементом лаборатории является имитатор спутниковых навигационных сигналов, позволяющий создавать достоверное радионавигационное поле и с его помощью тестировать спутниковую аппаратуру потребителя, часто входящую в состав интегрированных навигационных систем, исследовать различные режимы интеграции ИНС и спутниковых систем.
Структура и особенности устройства лаборатории испытаний
Одной из основных задач при создании лаборатории является определение ее структуры, которая позволила бы проводить как серьезные научные исследования, так и глубокое изучение свойств ИНС и их датчиков в основном учебном процессе национального исследовательского университета МАИ. С этой целью было предложено объединить всю аппаратную часть лаборатории, создав из отдельные ее стендов единый научно-учебный комплекс.
Организация высокоточных измерений на стендах лаборатории является важным условием исследования прецизионных датчиков и инерци-альных систем. Для обеспечения высокоточных измерений необходимо выполнить ряд требований, накладывающих ограничения на состав и структуру лаборатории.
Как было отмечено выше основу лаборатории составляют четыре стенда, два из которых представляют собой массивные изделия больших габаритов - это большой поворотный стол и центрифуга, каждое их которых должно размещаться на специальном изолированном бетонном фундаменте, обеспечивающем независимость как от колебаний и вибраций грунта и здания, так и от перемещений его под действием инерционных сил, обусловленных движениями оборудования. Такие меры позволяют исключить из показаний стенда составляющие, обусловленные сезонными движениями почвы и вибрацией основания. Этим достигается возможность измерения эталонных значений углов положения рам оборудования с точностью до 1-2" Необходимые условия были соблюдены, и каждый из стендов был размещен на индивидуальном изолированном фундаменте в общем помещении лаборатории.
Другим требованием организации прецизионных измерений является начальная выставка оборудования. Планшайба поворотного основания, на которой устанавливаются испытуемые образцы, должна быть выставлена в горизонт с достаточной точностью (в нашем случае точнее двух угловых секунд), а оси поворотных рам ориентированы относительно стран Света известным образом. Поскольку лаборатория организована в поме-
щении без специальной геодезической подготовки, то потребовалось специфическое оборудование для решения задач начальной выставки осей оборудования. С этой целью были использованы гиротеодолит и оптические датчики. Следует отметить, что техническое обслуживание для поддержания точности измерений в лаборатории необходимо проводить периодически для определения возможных уходов осей оборудования. Так, пока еще недолгий опыт эксплуатации лаборатории показал, что отклонения осей стенда от горизонта за три месяца выстаивания фундамента с установленным на нем оборудованием составили около 15", что является неплохим показателем для нового сложного фундамента.
В структуре лаборатории предусмотрены средства организации тестирования и имитации спутниковой навигационной аппаратуры потребителя (НАП), которая часто входит в состав интегрированных навигационных систем наряду с инерциальными. Добиться работы НАП в лабораторных условиях можно двумя способами. Первый способ заключается в том, что в состав лаборатории включается переизлучатель сигналов СНС от антенн, установленных на крыше здания лаборатории, с прямой видимостью навигационных искусственных спутников Земли. В этом случае НАП использует сигналы с антенн, тем самым позволяя тестировать аппаратуру с использованием реальных сигналов. Поскольку точки расположения антенн и место установки тестируемой системы не совпадают, то необходимо проведение специальных измерений по привязке фазовых центров антенн к точке установки тестируемой системы. Существенным ограничением такой конфигурации лаборатории является невозможность исследования спутниковой аппаратуры в динамике. Указанные проблемы можно решить с использованием имитатора спутниковых навигационных сигналов, который в условиях лаборатории имитирует достоверное радионавигационное поле на задаваемой траектории.
Особенностью работы лаборатории в национальном исследовательском университете является необходимость демонстрации экспериментов и их результатов большому числу обучающихся, которые к тому же часто размещаются весьма удаленно от лаборатории. С целью снятия этой проблемы было принято решение организации специальной локальной вычислительной сети с возможностью "on-line" демонстрации экспериментальной части работы со стендом и удаленного доступа к результатам эксперимента. Сеть должна объединить несколько кафедр, заинтересованных в работе с оборудованием, и включает автоматизированные рабочие места (АРМ) преподавателей, исследователей и студентов.
Основываясь на приведенных соображениях, была разработана структурная схема лаборатории испытаний навигационных систем, приведенная на рис. 2.
Созданная лаборатория позволяет тестировать и калибровать как отдельные гироскопы и акселерометры различного типа, так и блоки чувствительных элементов, а также инерциальные системы навигации и наведения, интегрированные системы ориентации и навигации. В зависимости от типа исследуемого датчика или системы выбирается соответствующее оборудование из состава лаборатории. Так, для испытания ИНС на основе МЭМС-датчиков достаточно будет использовать имеющийся одноосный поворотный стол, а для ИНС средней и высокой точности (например, на базе волоконно-оптических или лазерных гироскопов) необходим прецизионный двухосный поворотный стол. При тестировании инерциально-спутниковых навигационных систем (ИСНС) потребуется добавить систему антенн или имитатор СНС-сигналов, которым располагает лаборатория.
Рис. 2. Структура и состав лаборатории
Таким образом, созданная лаборатория является гибким инструментом, позволяющим охватить широкий спектр возможностей в исследовании навигационных комплексов и отдельных приборов различного назначения от микроэлектроники и робототехники до авиационно-космических приложений. Важным при этом является возможность органической интеграции этой лаборатории в учебный процесс исследовательского университета.
Структура программно-математического обеспечения
Разнообразие решаемых лабораторией задач приводит к необходимости использования серьезных вычислительных систем и сетевых технологий. Поэтому одной из важнейших компонент лаборатории является ее программно-математическое обеспечение (ПМО). На рис. 3 представлена структура ПМО, которое должно быть реализовано в вычислительном комплексе лаборатории.
Основой такого комплекса является библиотека математических моделей систем, которые могут входить в состав интегрированной системы [6]. Библиотека математических моделей систем и датчиков представляет собой набор программно реализованных моделей, в том числе обобщенных, которые можно использовать в алгоритмах обработки информации. Математические модели отдельных приборов и систем отражают характерные особенности изделий, построенных на различных физических принципах. Для обеспечения работы такой библиотеки (формирование выходных сигналов систем) необходимо имитировать траекторное движение объекта, которое в простейшем случае задается номинальной траекторией движения, а в общем случае используется полная динамическая модель рассматриваемого объекта. Обработка сигналов систем происходит в программных модулях «Преобразование сигналов» и «Оптимальная обработка информации», где реализуется процедура оптимальной фильтрации, соответствующая текущей конфигурации комплекса. Программный комплекс обеспечивает оценку точности систем, управление оборудованием лаборатории и обработку сигналов реальных систем.
Рис. 3. Структура ПМО лаборатории
Интерфейс обеспечивает работу пользователя с программным комплексом, реализуя ввод и вывод информации. Интерфейсы управления, помимо встроенных, могут создаваться пользователем при разработке новых модулей ПО. Это расширяет возможности исследования и позволяет эффективнее проводить анализ результатов испытаний.
Локальная сеть
Для эффективной эксплуатации лаборатории испытаний инерци-альных навигационных систем важно построить единую локальную вычислительную сеть. Такой подход позволяет существенно упростить процесс изучения и исследования систем, ускорить темп работ, связанных с идентификацией ошибок навигационных модулей. В структуре ЛВС предусматриваются автоматизированные рабочие места (АРМ) исследователей, преподавателей и студентов. Каждый тип АРМ имеет свои функциональные возможности работы в удаленном доступе. Локальная сеть позволяет создать единый вычислительный комплекс, включающий сервер, собирающий необходимые данные, производящий расчет и пересылку требуемую информацию по каналам ЛВС на АРМ соотвествующего оператора.
Создание локальной сети позволит объединить лаборатории различных кафедр и факультетов, которые заинтересованы в эксплуатации оборудования лаборатории, но размещены в различных корпусах Московского авиационного института (МАИ). Таким образом, будет обеспечен дистанционный доступ к информации о проведенных испытаниях и результатам исследований. Организация выхода локальной сети в Интернет позволит объединить не только специалистов, находящихся на территории МАИ, но и заинтересованных пользователей других организаций и предоставить доступ в реальном времени к информации о ходе испытаний. При наличии веб-камер, объединенных в единую сеть, появится возможность проведения демонстрационных тестов, испытаний, контрольных процедур для образовательного процесса.
Пример имитационного моделирования
Выше описывалась структура ПМО лаборатории. Одним из основных его режимов работы является режим имитационного моделирования различных процессов испытаний ИНС. В частности, в рамках работ по созданию ПМО лаборатории разработаны методики калибровки гироскопов, акселерометров, блоков чувствительных элементов и инерциальных навигационных систем. Одной из наиболее сложных работ является калибровка бесплатформенной инерциальной навигационной системы (БИНС) в процессе ее штатного функционирования. Методика построена на органи-
зации координатных и скоростных измерений и обработке их в оптимальном фильтре Калмана с размерностью вектора состояния от 15 до 21. Создан программный комплекс, реализующий эту методику на двухосном поворотном основании, и ниже проведены результаты имитационного моделирования калибровки БИНС, построенной на лазерных гироскопах и маятниковых акселерометрах. Методика испытаний заключалась в установке в определенное положение навигационной системы на поворотный стол, ее начальной выставке, последующем задании вращения поворотного стола и снятии показаний с БИНС и лабораторного оборудования в течение всего времени моделирования, обработке полученной информации, переориентации системы и проведения повторного цикла испытаний. В результате имитационного моделирования такой процедуры получены зависимости ошибки оценок коэффициентов математической модели датчиков от различных факторов. На рис. 4 для примера приведен график СКО и ошибки оценки постоянной составляющей погрешности акселерометров на первом этапе калибровки.
Анализ результатов показывает, что на первом этапе возможна калибровка постоянной составляющей погрешности двух из трех акселерометров блока. Из графика видно, что процесс оценивания длится около 100 с и ошибка оценки устанавливается на уровне 0,0001 м/c . Таким образом, после первого положения системы оценка постоянных составляющих ошибок двух акселерометров будет откалибрована с достаточной для проведения точностью.
х ^ о График ошибки оценки постоянной составляющей погрешности акселерометра
\
1
1 \
> \
—* —
41_I_I_I_I_I_I
О 50 100 150 200 250 300
Рис. 4. СКО и ошибка оценки постоянных составляющих ошибки акселерометров
Дальнейший анализ результатов имитационного моделирования показывает, что проведения определенного количества переориентаций системы на поворотном стенде и использование разработанного алгоритма и прецизионного лабораторного оборудования обеспечивает достаточно точную калибровку инструментальных ошибок датчиков первичной информации БИНС. Погрешность оценивания постоянной ошибки акселерометров при этом составляет около 0.001 м/с , ошибка определения нестабильности масштабного коэффициента акселерометров - 10-5. Погрешность оценки постоянной составляющей дрейфов гироскопов - 0.00413 градус/ч. Точность калибровки коэффициента ошибки гироскопа из-за перегрузки составляет 10-9. Указанные характеристики, полученные имитационным моделированием при полной адекватности моделей и белых шумах, представляют собой оптимистические оценки. При натурных испытаниях характеристики оценивания могут ухудшаться вследствие неадекватности моделей, особенностей шумов датчиков и других причин.
Заключение
Результатом проведенных на кафедре 305 МАИ работ стало создание лаборатории испытаний инерциальных навигационных систем, описанного в статье состава и структуры. С учетом конкретного аппаратного состава лаборатории разработаны методики и алгоритмы калибровки первичных измерителей, блоков чувствительных элементов и инерциальных навигационных систем. С целью проверки работоспособности созданных методик проведено имитационное моделирование калибровки БИНС на разработанном программном комплексе, имитирующем все процедуры и алгоритмы испытаний. Анализ результатов имитационного моделирования показал, что созданные методики и алгоритмы позволяют проводить калибровку высокоточных БИНС на двухосном поворотном стенде, входящем в состав лаборатории.
Список литературы
1. Современные информационные технологии в задачах навигации и наведения беспилотных маневренных летательных аппаратов / К.К. Веремеенко [и др.] // М.: ФИЗМАТЛИТ, 2009.
2. Помыкаев И.И., Селезнев В.П., Дмитроченко Л.А. Навигационные приборы и системы. М.: Машиностроение, 1983.
3. Ориентация и навигация подвижных объектов: современные информационные технологии / Б.С. Алешин [и др.]. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006.
4. URL: http ://www. actidyn. com
5. Галай И.А., Зимин Р.Ю. Анализ характеристик двухосного поворотного стенда компании ActiDyn // Сборник тезисов докладов «Инновации в авиации и космонавтике - 2011». Москва. 2011.
6. Галай И.А. Программно-математическое обеспечение лаборатории испытаний интегрированных навигационных систем // Тезисы докладов Международного научно-технического семинара «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации». Алушта. 2011.
K.K. Veremeenko, I.A. Galay
LABORATORY FOR INERTIAL NAVIGATION SYSYTEM TESTING
The structure and basic elements of laboratory for of inertial navigation system testing are considered. The laboratory software structure is offered. The inclusion of laboratory into the structure of the local computer network is considered. An example of work of inertial system calibration simulation software is given.
Key words: tests, inertial navigation systems, calibration, motion simulators, software.
Получено 08.09.2012
УДК 621.398.694.4
Д.Г. Грязин, д-р техн. наук, нач. отдела, (812) 499-83-38, gdg@mt.ifmo.ru (Россия, г. Санкт-Петербург, ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор»), О.О. Величко, аспирант, (812) 499-83-37, olgavelitchko@gmail.com (Россия, г. Санкт-Петербург, ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор»), А.Б. Чекмарев, инженер, (812) 499-83-37, chekmarev-ab@yandex. ru (Россия, г. Санкт-Петербург, ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор»)
МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИСПЫТАНИЙ МИКРОМЕХАНИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ И МОДУЛЕЙ
Рассмотрены основные задачи метрологического обеспечения испытаний микромеханических датчиков, имеющееся оборудование для их решения и сформулированы существующие проблемы в данной области.
Ключевые слова: метрологическое обеспечение, микромеханический датчик, испытание, оборудование, испытательный стенд
Введение
Микромеханические инерциальные датчики (ММД) (гироскопы и акселерометры), а также модули на их основе получили самое широкое распространение в различных областях современной техники. Лидерами в их разработке и производстве в мире являются фирмы AnalogDevices, ATA, Corrsys-Datron, Epson, Gyration, MEMSense, Matsushita Electric
67
