CC BY
174
УДК 629.7.058.4
Е.А.Карасева
студент, кафедра «Авиационные приборы и устройства», Арзамасский политехнический институт (филиал) ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева»
А.В. Корнилов
канд. техн. наук, инженер 1 кат., ОАО «АНПП «Темп-Авиа»; ст. преподаватель, кафедра «Авиационные приборы и устройства», Арзамасский политехнический институт (филиал) ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева»
МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ И РЕЗЕРВИРОВАНИЯ ДАТЧИКОВ ПЕРВИЧНОЙ ИНФОРМАЦИИ СИСТЕМЫ ОРИЕНТАЦИИ И НАВИГАЦИИ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
Аннотация. В работе рассмотрены методы внутреннего аппаратного и программного контроля датчиков бесплатформенной инерциальной системы ориентации и навигации, а также методы резервирования за счет комплексирования измерительной информации.
Ключевые слова: надежность, методы внутреннего контроля, исправность датчиков, бесплатформенная система ориентации и навигации, резервирование.
Е.А. Karaseva, Arsamas polytechnical institute (branch of Nizhny Novgorod State Technical University)
A.V. Kornilov, JSC "Arzamas research and production enterprise "TEMP-AVIA";
Arsamas polytechnical institute (branch of Nizhny Novgorod State Technical University)
METHODS FOR PROVIDING CONTROL AND REDUNDANCY OF INERTIAL SENSORS IN AN AIRCRAFT
ORIENTATION AND NAVIGATION SYSTEM
Abstract. In this report, methods for internal hardware and software control of inertial sensors in an inertial orientation and navigation system, and also methods for providing redundancy based on fusion of measurement data, are represented.
Keywords: reliability, internal control methods, sensor operability, strapdown orientation and navigation, redundancy.
На протяжении года в нашей стране активно реализуется Постановление Правительства РФ от 17.12.2014 N 1388 «Об импортозамещении». Однако время показало, что перейти на продукцию отечественного производства оказалось не так просто. Существенные трудности возникли в авиационной промышленности - одной из наиболее крупных системообразующих, высокотехнологичных и наукоемких отраслей в экономике.
Очевидно, что качество отечественных авиационных информационно-измерительных систем (ИИС) по ряду критериев ниже качества иностранных аналогов, что особенно критично для авионики, применяемой на высокоманевренных летательных аппаратах (ЛА).
Одним из показателей, характеризующих качество ИИС, является надежность -свойство объекта сохранять во времени значения всех параметров в установленных пределах, и выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения. Именно повышение надежности называют одним из основных условий повышения качества ИИС, что делает теоретические и прикладные исследования, направленные на снижение количества отказов, неисправностей и сбоев ИИС отечественного производства, актуальными и востребованными.
Поэтому целью настоящей работы является обобщение уже известных, а также изложение реализуемых в настоящее время и перспективных методов повышения надежности.
В составе пилотажно-навигационного комплекса ЛА особое место занимают приборы и системы ориентации и навигации (СОН), предназначенные для измерения параметров движения ЛА. Существует разделение таких навигационных систем на основные и дублирующие (резервные), хотя и те, и другие могут быть построены с применением гиростабилизированных платформ, или же иметь бесплатформенную схему построения.
Платформенные приборы и системы (авиагоризонты, гировертикали, курсовые гироскопические системы, ИНС) строятся с применение свободных гироскопов и акселерометров, закрепленных на подвижной раме (платформе), позволяющей ориентировать измерительные оси датчиков относительно выбранной системы координат.
В бесплатформенных системах инерциальные измерители жестко связаны с корпусом ЛА, а функции платформы выполняет вычислительное устройство [1]. Бесплатформенные системы отличаются меньшими габаритами, более низким энергопотребление и высокой эргономичностью по сравнению с платформенными. Поэтому они наиболее часто применяются в качестве резервных устройств измерения параметров движения ЛА.
Работая в режиме горячего резервирования, такие системы выполняют функции, идентичные функциям систем основного контура измерения, но при этом имеют ряд существенных ограничивающих требований по минимизации габаритов, массы и стоимости, обеспечению автономности, функциональности и точности измерения параметров движения. Именно указанными ограничениями определяется выбор применяемых в системах элементов и формирование самой структуры системы.
Разработкой и производством серийных образцов бесплатформенных систем ориентации и навигации в нашей стране занимаются ОАО «РПКБ» (г. Раменское), ОАО «АНПП «Темп-Авиа» (г. Арзамас), ОАО «УКБП» (г. Ульяновск), ООО «ТеКнол» (г. Москва), проходят испытания опытные образцы систем ОАО «ЦНИИ «Электроприбор» (г. Санкт-Петербург), ОАО «Аэроприбор-Восход» (г. Москва) и другие.
Одной из самых распространенных схем компоновки бесплатформенных систем является применение однотипных инерциальных датчиков: триады одноосных датчиков угловой скорости (ДУС) и триады одноосных измерителей линейного ускорения (акселерометров), а также датчиков, измеряющих параметры естественных геофизических полей Земли - магнитометров и датчиков давления (ДД). Датчики давления позволяют без потери автономности вычислять ряд навигационных параметров: высота полета, воздушная скорость, значение динамического давления. Кроме того, в состав ДУС, акселерометров и ДД могут входить температурные датчики, информация с которых используется при расчете некоторых параметров (например, высоты и скорости), а также для более точного определения температурных зависимостей погрешностей датчиков первичной информации (ДПИ) в процессе калибровки.
Обобщенная функциональная схема бесплатформенной СОН представлена на рисунке 1.
Для повышения надежности ИИС в условиях отсутствия возможности применения высоконадежных элементов и жестких режимов работы могут быть реализованы средства внутреннего контроля и реконфигурации аппаратуры [2], которая заключается в использовании лишь исправных функциональных элементов, в то время как отказавший элемент исключается из контура измерения.
Самым простым методом контроля является аппаратный контроль по принципу «есть/нет», когда исправность элемента определяется наличием или отсутствием информации. Данный метод не применим для количественной оценки, но работоспособен для контроля данных с вычислителя системы, контроля линий связи, контроля выдачи информации с датчиков, обладающих низким уровнем шума выходного сигнала, или контроля индикатора (в случае его использования в ИИС).
В настоящее время идет активное внедрение аппаратных методов контроля выходной информации ДПИ бесплатформенных систем, основанных на сравнении значения физической величины, измеряемого в определенный момент времени, со значениями из установленного диапазона. Верхний и нижний пределы диапазона рассчитываются на основании условий применения элемента или определяются опытным путем для каждого конкретного типа ДПИ.
Акселерометры
Датчики температуры
Гирсокопы (ДУС)
Магнитометр
Датчик полного Зайления (Ра)
Датчик температуры
Датчик статического Зайления (Ргт)
о;
х 3
^ах> ^ауу ¿а: сО О 21 г: а
Ою о л
1соху ^соуу ¿со: ш о. с с о а. Е
о со о
Ь
со х, со „со. о а. а
Е 1= п
I соху I соуу!со: т
Цифровой
Н,,Ну,Н; код "
Цифровой
код
сг п:
сО О а п г с с:
IРат IРа о ш & а
с о сО □ Е X о
ст _ О а а. □
Е =л с
Вычислитель (микроконтроллер)
Измеряемые параметры
Эйижения /1А
Рисунок 1 - Обобщенная функциональная схема бесплатформенной СОН
Некоторые аппаратные методы контроля, реализуемые на практике и подтвердившие свою эффективность, представлены ниже. К сожалению, имеется ряд ограничений - не для всех типов датчиков они могут быть применены, и могут осуществляться только во время начальной выставки системы, когда ЛА находится в состоянии покоя. Экспериментальная апробация методов проводилась при отработке опытных образцов бесплатформенных резервных систем ориентации, в состав которых входили отечественные ДПИ «тактического» класса точности: волоконно-оптические гироскопы, интегральные компенсационные акселерометры, датчики абсолютного давления, трехосевой аналоговый магнитометр.
1. Методы контроля акселерометров:
- по насыщению - контролируется значение выходного сигнала акселерометра, соответствующее максимальному измеряемому ускорению, поступающее на вход преобразователя. Если происходит превышение максимального значения в течение определенного периода времени, фиксируется отказ датчика;
- по среднеквадратическому значению - контролируется среднеквадратическое значение ускорения по всем трем осям, измеряемого триадой акселерометров бесплатформенной системы ориентации и навигации. Т.к. система находится в состоянии покоя, на нее действует только ускорение свободного падения д. При исправности всех
акселерометров триады должно выполняться условие ^э2х + а] + а] = 9,8±0,3м/с1 , где а*, ау, а2
- значения ускорения, измеряемого акселерометрами триады. Если данное условие не выполняется, фиксируется отказ акселерометров и запускается процедура определения отказавшего датчика.
2. Методы контроля ДУС:
- по насыщению - контролируется значение выходного сигнала гироскопа, соответствующее максимально допустимому производителем. Если происходит превышение максимального значения в течение определенного периода времени, фиксируется отказ датчика;
- по значению потребляемого тока - контролируется его величина (отличная от нулевого потребления), а также соответствие значения допустимого напряжения установленному диапазону. Если происходит превышение пределов диапазона, фиксируется отказ датчика.
3. Методы контроля ДД:
- по насыщению - контролируется соответствие значения частоты выходного сигнала датчика установленному диапазону. Если происходит выход за пределы диапазона, фиксируется отказ датчика;
- по разности показаний датчиков - контролируется порядок разности значений, измеряемых датчиками давления статического и динамического каналов, который должен соответствовать порядку величины погрешности датчиков. Если происходит рассогласование на установленную величину, фиксируется отказ ДД и запускается процедура определения отказавшего датчика.
4. Методы контроля магнитометра:
- по значению измеряемых проекций магнитного поля Земли - осуществляется постоянная проверка измеренных проекций магнитного поля. Если одна из проекций меньше порогового значения, фиксируется отказ магнитометра.
Необходимо отметить, что используемые ДПИ являются аналоговыми. Для преобразования выходного напряжения датчиков в цифровой код могут использоваться, например, аналого-цифровые преобразователи (сигма-дельта АЦП), которые имеют высокие точностные характеристики. Для исключения ошибок, вызванных искажением цифрового кода самими преобразователями применяются различные алгоритмы обработки информации.
В ряде случаев, когда невозможно аппаратное резервирование, а программное резервирование не дает необходимого уровня контроля, перспективным является резервирование за счет комплексирования (сочетания) измерительной информации, получаемой от датчиков первичной информации различной физической природы, входящих в состав ИИС.
Данный метод применим не только для резервных ИИС, но и для систем, имеющих ограничения, подобные представленным в начале статьи.
Довольно часто основным инструментом реализации такого способа является адаптивный фильтр Калмана.
Остальные Затчики
V ./¡.V/ I
Фильтр Калмана
Рисунок 2 - Структурная схема: х(£) - измеряемый параметр (величина), п1 (£),п2 (£) - шумы, 2%1 (£), т%2 (£) - невязки измерений соответствующих датчиков, к1, к2 - весовые коэффициенты, х (£) - оцененный параметр (параметр), Ф - фильтр
В фильтр Калмана поступают измерения от всех датчиков, измеряющих один и тот же навигационный параметр или физическую величину. Оценка параметра (величины) х формируется по сигналам от всех датчиков и при отказе одного из них оценка не может измениться мгновенно. При этом невязка ) измерения отказавшего датчика (I - номер
датчика), определяемая как ¿1 ) = )-г) сильно возрастает [1]. Это возрастание невязки
принимается за признак отказа I -го датчика. Если невязка превышает некоторое пороговое значение, то происходит автоматическое отключение этого датчика.
Однако, если в системе реализуется мажоритарная логика резервирования, может наступить тупиковая ситуация, когда в вычислитель поступает информация о значениях измеряемой величины с четного количества измерителей.
В таком случае целесообразно применение «фантомных» устройств - использование информации, записанной при условиях исправного функционирования всех датчиков СОН, и хранящейся в специальном разделе памяти запоминающего устройства (рисунок 2) [3].
В процессе лабораторных испытаний опытного образца бесплатформенной СОН были определены зависимости изменения величины потребляемого тока ВОГ от температуры. Испытаниям подвергались два типа ВОГ (ЗАО «Физоптика»): ВГ941-3АМ и ВГ091А (основные технические характеристики и показатели надежности представлены в [4]). В результате проведения 7 циклов измерений потребляемого тока 4 датчиков в диапазоне от минус 40°С до +60°С получены графики зависимостей, представленные на рисунке 3. Данные зависимости успешно аппроксимируются квадратичной функцией с погрешностью аппроксимации ±0,5мА.
Определенные зависимости позволят произвести вычисление значений температуры для использования в адаптивном фильтре Калмана, что даст возможность ввести дополнительную оценку х для определения отказа датчиков температуры, применяемых в бесплатформенной СОН.
Температура, °С
Рисунок 3 - График зависимости потребляемого тока ВОГ от температуры: 1, 2 - датчики ВГ941-3АМ; 3, 4 - датчики ВГ091А
Подобным образом возможно комплексировать измерительную информацию в различных конфигурациях.
Весьма перспективным представляется комплексирование измерительной информации,
получаемой от инерциальных датчиков (гироскопов и акселерометров) и датчиков давления. В условиях стационарного режима измерения бесплатформенной СОН имеется возможность построения уравнений вычисления «псевдоинерциальных» углов ориентации: при разложении вектора воздушной скорости по осям навигационной системы координат с использованием фильтра Калмана появляется возможность оценки величины скорости, вычисляемой с помощью инерциальных датчиков, а также оценки значений углов ориентации [5].
При комплексировании измерительной информации в ИИС обязательным условием является использование алгоритма обработки информации с присвоением весовых коэффициентов.
Основная сложность формирования весовых коэффициентов заключается в разнообразии режимов полета ЛА, измеряемых бесплатформенной СОН, неопределенности точностных оценок погрешностей ДПИ. В простейшем случае коэффициенты весовые коэффициенты могут быть кусочно-постоянными функциями, величина которых зависит от какого-либо параметра (например, от ускорения объекта). В целом же формирование коэффициентов для конкретного типа датчиков может быть проведено только после дополнительных исследований и процедур калибровки бесплатформенной СОН.
Для повышения надежности бесплатформенных систем ориентации и навигации необходимо комплексное применение программных и аппаратных методов контроля и резервирования, однако их использование и конфигурация требуют адаптации к техническим характеристикам конкретного типа ЛА и условиям его полета.
Список литературы:
1. Основы построения бесплатформенных инерциальных навигационных систем / В.В. Матвеев, В.Я. Распопов / Под общ. ред. д.т.н. В.Я. Распопова. - СПб.: ГНЦ РФ ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2009. - 280 с.
2. Формирование устойчивой к отказам структуры измерителей параметров движения систем стабилизации и ориентации [Текст] / С.Н. Фирсов // Гироскопия и навигация. - 2013. -№4. - С. 72-83.
3. Патент № 2427799 С1 РФ. Система для определения пространственного положения и курса летательного аппарата / А.В. Корнилов, Д.В. Свяжин. Заявл. 15.06.2010; опубл. 27.08.2011.
4. Электронный каталог продукции ЗАО «Физоптика». [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.fizoptika.com/all_prod_alt.php (дата обращения 25.11.2015).
5. Реализация внутренней системы контроля инерциальных датчиков первичной информации бесплатформенной системы ориентации летательного аппарата [Текст] / С.П. Ильясов, А.В. Корнилов // Сборник материалов докладов XXII Международной молодежной научной конференции «Туполевские чтения». - 2015. Т 4. Казань: КНИТУ-КАИ. - С.612-617.
