CC BY
94
Шумков Сергей Григорьевич, начальник отдела исследований и разработок, ssg. chshagmail. com, Россия, Санкт-Петербург, Общество с ограниченной ответственностью «Конструкторское бюро «Кибершельф»
MA THEMA TIC SIMULA TION OF SEISMIC CABLE GA UGES COORDINA TES EVOL UA TION
K.V. Zaychenko, S.G. Shumkov
This article presents mathematic simulation of positioning operation elements of ocean-hottom towed sensors of variable flotation. Range-measurement and differential-measurement approaches are used as positioning techniques.
The timeliness of this work is confirmed hy basic researches in seismology together with applied demand in seismic exploration works on Arctic shelf.
Simulation results of weighting position of one towed sensor's transducer can serve as an example.
Key words: mathematic simulation, positioning, ocean-hottom towed sensors of va-riahle flotation, differential-measurement technique.
Zaychenko Konstantin Vitalevich, candidate of technical science, development director, zkv. atollagmail. com, Russia, Duhna, Joint-stock company "Research and Development Establishment "Atoll",
Shumkov Sergei Grigorevich, chief of researches and developments department, ssg. chshagmail. com, Russia, Saint Petershurg, Limited liahility company "Designengineering department "Cyhershelf"
УДК 621.396
МЕТОДИКА ОЦЕНИВАНИЯ ПОГРЕШНОСТЕЙ ИНЕРЦИАЛЬНО-СПУТНИКОВЫХ НАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ
Ю.М. Инчагов, А.Ю. Шатилов, И.А. Нагин
Представлена методика оценки погрешностей инерциально-спутниковых навигационных систем с использованием высокоточной испытательной аппаратуры. Основная идея заключается в использования синхронных сценариев имитации для динамических стендов и блока имитации спутниковых навигационных систем. Согласно разработанной методике проведены исследования погрешностей ИСНС NovAtel SPAN-СРТ.
Ключевые слова: навигационные системы, методика оценки погрешностей, инерциально-спутниковые навигационные системы, динамический стенд
Одно из перспективных направлений развития навигационных комплексов - разработка инерциально-спутниковых навигационных систем (ИСНС), в которых совместно обрабатываются сигналы инерциальной на-
вигационной системы (ИНС) и навигационной аппаратуры потребителей спутниковых радионавигационных систем (СНС). Системы ИНС и СНС обладают как преимуществами, так и недостатками. Цель комплексирова-ния - совмещение преимуществ каждой системы и получение навигационной системы с лучшими характеристиками.
Так как ИСНС состоит из двух систем (СНС и ИНС), то оценивание характеристик необходимо производить с учётом особенностей функционирования обеих систем. Навигационное поле для СНС воспроизводится с помощью имитатора сигналов, но для того, чтобы оценивать характеристики ИСНС, необходимо подавать соответствующее динамическое воздействие на устройство. Наиболее известным имитационным комплексом для тестирования ИСНС является комплекс производства Spirent. При использовании комплекса аппаратуры имитации Spirent нельзя оценить характеристики готовых ИСНС, так как невозможно подключиться к устройству и подать сигналы, получаемые методом математического моделирования, на инерциальную систему. Для оценивания характеристик ИСНС предлагается использовать аппаратно-программный комплекс имитации сигналов СНС и динамических воздействий для воспроизведения соответствующих навигационному полю динамических воздействий на ИСНС.
Для корректного оценивания характеристик ИСНС необходим как аппаратно-программный комплекс имитации сигналов СНС и динамических воздействий, так и методика работы с этим комплексом для оценивания погрешностей. Методика должна учитывать специфику работы с испытательным оборудованием и особенностями функционирования ИСНС.
Обзор научных статей конференции ION (The Institute of Navigation) за последние 2 - 5 лет показал, что все оценивания точности ИСНС основаны на сравнении с данными от эталонных устройств при натурных испытаниях с неповторяемыми траекториями.
Цель исследования разработка методики оценивания погрешностей ИСНС с использованием динамического стенда и имитатора СНС.
Особенность данной работы это желание упростить и формализовать работу с испытательной аппаратурой для качественного и оперативного оценивания характеристик ИСНС. В методике подаваемые воздействия являются повторяемыми, а потому существует возможность набора статистических данных изменения характеристик ИСНС.
При исследовании была использована испытательная аппаратура, включающая в себя:
динамический стенд вертикально-горизонтальных перемещений (СВГП), обеспечивающий повторяемость траектории с погрешностью менее 1 мм. Предельные значения по координате ±1,5 м, по скорости 1 м/с, по ускорению 1 м/с2;
стойки управления режимами работы стенда;
автоматизированное рабочее место оператора (далее АРМ): блок имитации СН-3805М разработки «КБ НАВИС», блок сопряжения и блок коммутатора-усилителя, осуществляющие формирование навигационного поля и синхронизацию работы испытательной аппаратуры, а также ПК для удалённого управления динамическим стендом.
Для проведения испытаний необходимо обеспечить динамическое воздействие на инерциальный модуль, входящий в состав ИСНС. Динамическое воздействие должно быть известным (с целью сравнения с ним оценок ИСНС) и повторяемым (для набора статистики). Однако в состав ИСНС входит приёмник СНС, и поэтому принимаемое приёмником радионавигационное поле должно соответствовать динамическому воздействию. Это означает, что при использовании имитатора СНС сценарий имитатора должен соответствовать сценарию движения для динамического стенда.
Требуется решение задачи обеспечения временной синхронизации исполнения сценариев динамического стенда и имитатора СНС. В качестве источника сигнала опорной частоты используется имитатор СНС, 10 МГц которого преобразуются с помощью блока сопряжения в 10 кГц сигнала опорной частоты для динамических стендов. Синхронность запуска сценариев стенда и имитатора СНС обеспечивается выдачей сигнала триггера запуска через блок сопряжения (рис. 1).
Рис. 1. Схема обеспечения временной синхронизации
При работе ИСНС формирует оценки навигационных параметров потребителей с некоторыми погрешностями. Под погрешностями ИСНС понимается разность между определяемыми и истинными координатами, векторами скорости, углами ориентации (углы курса, тангажа и крена).
Совокупность истинных времени, координат, вектора скорости и углов ориентации, задаваемых для устройств имитации, будем называть истинным вектором состояния (ИВС).
Для согласования сценариев для имитатора СНС и динамического стенда необходимо определение траектории, которая впоследствии будет использоваться для создания каждого из сценариев. Для этого необходимо провести преобразования систем координат (СК) ИСНС и ИВС в единую СК для последующего сравнения. Под СК ИВС будем понимать систему координат, в которой задаётся ИВС, под СК ИСНС — систему координат, в которой выдаёт измерения ИСНС. При преобразовании СК сформированного ИВС необходимо знать координаты стенда, а также начальные углы курса, тангажа и крена для использования этих данных при создании сценария имитации.
Разработанный пакет скриптов для среды «MATLAB» позволяет автоматически и оперативно выполнить следующие задачи:
сформировать ИВС и конвертировать в файл сценария для динамического стенда;
преобразовать СК: СК ИВС в СК ECEF (геоцентрическая связанная с Землёй СК) для создания сценария для имитатора СНС, СК ИВС в СК ENU (геодезическая СК, Восток-Север-Верх) с целью последующего сравнения с результатами ИСНС, а также СК ИСНС в СК ENU для сравнения с исходной траекторией;
синхронизировать полученные оценки ИСНС с исходной траекторией для получения оценок погрешностей по координатам, скоростям и углам ориентации между ИВС и данными с ИСНС.
С целью создания сценария имитации для имитатора СНС СН-3805М используется ПО «GG HUNTER» разработки «КБ НАВИС».
На рис. 2 представлен алгоритм оценивания погрешностей ИСНС.
Для верификации методики было проведено определение характеристик эталонной ИСНС NovAtel SPAN-CPT (далее SPAN-CPT), обладающий особенностями, связанными с использованием интегрированного решения. Для использования такого решения необходимо иметь выставку (alignment), которая осуществляется только после получения приёмником эфемеридной информации и достоверной информации о времени. При проведении эксперимента были выполнены корректировки:
1) после синхронного запуска сценария имитации для блока имитации (БИ) и сценария для СВГП в программе NovAtel Connect ожидается решение SPAN-CPT (solution - computed). Данный этап занимает около 40 с;
2) в программе NovAtel Connect проводится азимутальная выставка SPAN-CPT. Задаётся истинный угол азимута с погрешностью 1 град;
3) SPAN-CPT переходит в режим интегрированного решения через 1-2 мин;
4) запускается запись логов BESTPOS, BESTVEL, INSATT с помощью меню Logging Control Window программы NovAtel Connect;
5) по завершении сценариев останавливается запись логов;
6) полученные файлы используются для получения ошибок по координатам, скоростям и углам ориентации ИСНС.
Для выполнения пп. 2 и 4 необходимо 2 мин. 40 с, потому что для корректной выставки SPAN-CPT в сценарии имитации для БИ и сценарии для СВГП первые 3 мин объект неподвижен.
MATLAB
Формирование истинного вектора состояния
RPY; X, Y, I, Vx, Vy, Vz; СКИВС
MATLAB
Поворот С К
СК ИКС
СК ECEF
MATLAB
Создание сценария для динамического стенда
Среда создания сценариев
Синтез сценария для блока имитации СНС
Начало испытаний
Динамический стенд
Загрузка файла сценария
I
Блок имитации СНС
Загрузка синтезированного
сценария |
-1 I-
Подача сигнала триггера на динамический стенд и блок имитации
_А_А_
ПО для ИСНС
Фиксация данных с ИСНС
R.PY; X, Y, Z, Vx, Vy, Vz; СК ИСНС
Конец испытаний
MATLAB
Поворот СК
СК ИВС
CKENL'
MATLAB
Поворот С К
СК ИСНС
-» CKENL'
Сравнение данных
ARPY; ДХ, AY, AZ; А\х, ДУу, ¿Vz; СК ENL"
Рис. 2. Алгоритм оценивания погрешностей ИСНС
201
При работе со SPAN-CPT были выбраны пакеты BESTPOS, BESTVEL и INSATT. Пакет BESTPOS содержит изменение координат, BESTVEL - изменение горизонтальной, вертикальной скоростей и угла курса. Данные об угле курса и горизонтальной скорости позволяют рассчитать северную и восточную составляющие скорости. INSATT содержит изменение углов ориентации. В каждом пакете содержится информация о моменте времени, в которое было произведено измерение.
При записи пакетов BESTPOS, BESTVEL вместе с пакетом INSATT данные записываются с задержкой, зависящей от скорости запроса пакетов, в условиях эксперимента - с задержкой 0,1 с.
Для подтверждения работоспособности методики оценки погрешностей ИСНС были проведены испытания на динамическом СВГП.
На подготовительном этапе был сформирован ИВС с учётом ограничений стенда (см. рис. 3 - 6).
I О
I 0
1 0
ШИШ
100 150
200 250
1[МК]
300 350 400
Рис. 3. Истинный вектор состояния, изменение составляющих
вектора скорости
£ о
Рис. 4. Истинный вектор состояния, изменение составляющих вектора скорости на интервале 160...230 с
0.2 01 I О
CL
-О 1 •02
1-1-1 I 1 |-Задаваемая Долгота | 1 1 I f, (. 11 1 i, Д I 1 t. 1 fy 1 1 ft Л i
и 11II 1 Iii II 11 Ol iL 1Л ill Ii i 11 Iii Ii ОI I | \ H
...................................................................................................................I Ii in'¥ ill'Irl Ii ■ ij ill. Ii .IJ ¡1 ö
if 1 I 1 П J II I HU У I ! I 1 Ii | II II II VlfVI Д 1 V \ 1 II 1V Ii J 1V Ii I il p V i II
200 250
t (сек J
- -0.2 •0.4 -06
- Задаваемая цурота |
L
200 250
t (сек.)
200 250
t (сек.)
Рис. 5. Истинный вектор состояния, изменение координат
1[са<)
Рис. 6. Истинный вектор состояния, изменение координат
на интервале 160...230 с
-Задаваемая Долгота
В программе создания сценариев имитации синтезируется сценарий для БИ с использованием альманахов на 04.01.2015 для системы GPS, время начала сценария 11:00:00, ионосферы - с зимними параметрами.
Согласно предложенному алгоритму (рис. 2) были сформированы сценарии для динамического стенда и блока имитации СНС. Сценарии были загружены для запуска на динамическом стенде и блоке имитации СН-3805М. На поверхность движущейся части СВГП было закреплено испытуемое ИСНС Nov Atel SPAN-CPT (рис. 7), для стенда принят угол тангажа 45°.
Нажатие кнопки «запуск» приводит к синхронному включению сценариев динамического стенда и блока имитации СНС. Во время воспроизведения фиксировались оценки координат, вектора скорости и углов ориентации ИСНС. После завершения сценария были обработаны полученные данные и найдены оценки погрешностей координат, вектора скорости и углов ориентации ИСНС. Эксперимент проводился несколько раз для набора статистики. На рис. 8-10 приведены графики ошибок оценивания вектора скорости, углов ориентации и координат в одном эксперименте.
а б
Рис. 7. Исследуемые ИСНС ЖРАЛГ-СРГ (а), установленный на подвижную часть СВГП, и АРМ (б)
- Д У^РАИ-СРТ - Задаваемая)
1аяГ1 !]
-£, у^эрлм-срт- Задаваемая)
Рис. 8. Ошибки оценивания вектора скорости, временной интервал 140...450 с
Предельная ошибка северной составляющей вектора скорости находится в пределах ±0,0382 м/с, ошибка восточной составляющей вектора скорости находится в пределах ±0,0433 м/с, ошибка вертикальной составляющей вектора скорости - в пределах ±0,0527 м/с.
-д у^рам-срт • задаваемая)
200 250 300 350 400
1 (сек ]
Рис. 9. Ошибки оценивания углов ориентации, временной интервал 140...450 с
|--— Фгт/ктуационньге оши5кн Ута Курса]
Ошибка по углу крена наблюдается в пределах ±0,0436 град, ошибка по углу тангажа - в пределах ±0,1010 град, ошибка по углу курса -в пределах ±0,2289 град.
35
3 4
¿33 а
32
3 1 150 200 250 300 350 400 450
t (сек ]
0.4 03
So 2
а
0.1
° 150 200 250 300 350 400 450
цсек]
-30
-302
-304
3. .306 О.
-308 -31
"31 2 150 200 250 300 350 400 450
t (сек.)
Рис. 10. Ошибки оценивания координат, временной интервал 140...450 с
Ошибка по широте установлена 3,2605±0,1585 м, ошибка по долготе - 0,2170±0,1704 м, ошибка по высоте - 30,5357±0,4657 м.
На основании экспериментов построена таблица (табл. 1) с результатами статистической обработки данных ошибок оценивания вектора скорости, углов ориентации и координат.
Таблица 1
Предельные значения погрешностей по результатам экспериментов
Предельное значение погрешности определения Номер эксперимента (повторения) Выборочное предельное значение погрешности
1 2 3 4
Скорость, м/с северная +0,0382 +0,0410 -0,0435 -0,0531 ±0,0531
восточная -0,0433 +0,0261 +0,0254 -0,0386 ±0,0433
вертикальная -0,0527 -0,1358 +0,0434 -0,0533 ±0,1358
Угол, град крен +0,0436 -0,0863 +0,0475 -0,0683 ±0,0863
тангаж +0,1207 +0,0943 +0,1186 +0,1137 ±0,1207
курс +0,2289 +0,2946 +0,2879 +0,1823 ±0,2946
Координаты, м по широте 3,2605 ±0,1585 1,8352 ±0,1204 1,1403 ±0,1508 3,0804 ±0,2179 2,2043 ±1,2148
по долготе 0,2170 ±0,1704 1,0378 ±0,1250 0,8257 ±0,1000 1,0217 ±0,2901 0,6047 ±0,5581
по высоте -30,5357 ±0,4657 -27,6780 ±0,2438 -26,9138 ±0,3150 -30,5261 ±0,1805 -28,8001 ±2,2013
Необходимо учитывать, что данные получены при скоростях, не превышающих 1 м/с; связано это с ограничениями динамического стенда.
В табл. 2 приведены заявляемые погрешности производителем по координатам, скоростям и углам ориентации.
Таблица 2
Спецификация 8РЛ№СРТ
Точность по координатам (м), СКО Горизонтальная составляющая 1,00
Вертикальная составляющая 0,60
Точность по скорости (м/с), СКО Горизонтальная составляющая 0,020
Вертикальная составляющая 0,010
Точность по углам ориентации (град.), СКО Угол крена 0,020
Угол тангажа 0,020
Угол курса 0,060
Таким образом, в процессе выполнения работы была проверена разработанная методика оценки погрешностей ИСНС, особенностью которой является обеспечение синхронности и повторяемости создаваемого имитатором СНС радионавигационного поля и формируемого при помощи стенда динамического воздействия. Воспроизводимые динамическим стендом и имитатором СНС-сценарии формируются из единого набора данных, описывающих траекторию движения потребителя.
Формирование сценариев и обработка результатов испытаний осуществляется при помощи разработанного пакета скриптов для среды МЛТЬЛВ.
Для подтверждения работоспособности методики были проведены испытания и получены оценки погрешностей ИСНС КоуЛ1е1 8РЛК-СРТ. Полученные результаты расходятся со спецификацией на КоуЛ1е1 8РЛК-СРТ в следующих пределах:
заявленные 3*СКО по координатам в плоскости составляют 3,00 м, получены предельные значения по всем экспериментам по широте -1,22 м, по долготе - 0,56 м;
заявленные 3*СКО по вертикальной составляющей координат
- 1,80 м, получены предельные значения по всем экспериментам по высоте
- 2,20 м;
заявленные 3*СКО по горизонтальной составляющей скорости -0,060 м/с, полученные предельные значения по всем экспериментам для северной составляющей вектора скорости - 0,047 м/с, для восточной составляющей вектора скорости - 0,035 м/с;
заявленные 3*СКО по вертикальной составляющей скорости
- 0,060 м/с, полученное предельное значение по всем экспериментам для вертикальной составляющей вектора скорости - 0,090 м/с;
заявленные 3*СКО по углу крена - 0,060 град, по углу тангажа -0,060 град, по углу курса 0,180 град, полученное предельное значение по всем экспериментам по углу крена - 0,067 град, по углу тангажа - 0,013 град, по углу курса - 0,056 град.
Расхождения связаны с условиями, в которых проведён эксперимент и была получена спецификация. В документации на 8РЛК-СРТ говорится, что точность оценивания вектора скорости и углов ориентации тем лучше, чем выше скорость перемещения 8РЛК-СРТ. При этом не оговаривается, для каких значений вектора скорости получены приведённые результаты (табл. 2). В нашем эксперименте максимальная скорость 1 м/с ограничивается характеристиками динамического стенда, для неё и были получены результаты.
Список литературы
1. ГЛОНАСС. Принципы построения и функционирования / под ред. А.И. Перова, В.Н. Харисова. Изд. 3-е, перераб. М.: Радиотехника, 2005.
Инчагов Юрий Михайлович, аспирант, инженер-программист 2-й кат., inchagov ymanavis.ru, Россия, Москва, ЗАО «КБ НАВИС»,
Шатилов Александр Юрьевич, канд. техн. наук, начальник ОБТ ИНС, shatilov@,navis.ru, Россия, Москва, ЗАО «КБ НАВИС»,
Нагин Илья Алексеевич, канд. техн. наук, вед. инженер, nagin iaanavis.ru, Россия, Москва, ЗАО «КБ НАВИС»
ISNS ERRORS ESTIMA TION METHODOLOGY Y.M. Inchagov, A. Y. Shatilov, I.A. Nagin
ISNS errors estimation methodology using high accuracy experimental equipment has been introduced. The main idea consists in using synchronous scenarios for dynamical equipment and GNSS imitation unit. Results of errors estimation using developed methodology were presentedfor ISNS NovAtel SPAN-CPT.
Key words: navigational systems, errors estimation methodology, inertial-satellite navigation system, dynamical equipment.
Inchagov Yury Michaelovich, postgraduate, engineer-programmer 2 category, in-chagov_ym@navis. ru, Russia, Moscow, Navis,
Shatilov Alexander Yurievich, candidate of technical sciences, OBT INS chief, shati-lov@navis.ru, Russia, Moscow, Navis,
Nagin Ilya Alexeevich, candidate of technical sciences, lead engineer, nagin ia a navis. ru, Russia, Moscow, Navis
