CC BY
3
УДК 623
МЕТОДЫ НАВИГАЦИИ БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
А.В. Мусина Научный руководитель - Г.М. Гринберг
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М.Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
Е-mail: sasha.musina15@mail.ru
В предоставленном материале рассматриваются недостатки методов, приводящих к повышению точности навигации беспилотных летательных аппаратов, приведены способы альтернативного решения, а также их преимущества и недостатки.
Ключевые слова: беспилотные летательные аппараты, глобальные навигационные спутниковые системы, фильтр Калмана, инерциальные системы, видеонавигация.
NAVIGATION METHODS OF UNMANNED AERIAL VEHICLES
A. V. Musina Scientific supervisor - G.M. Grinberg
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky rabochii prospeckt, Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: sasha.musina15@mail.ru
The article issues the disadvantages of methods leading to an increase in the accuracy of navigation of unmanned aerial vehicles are considered, alternative solutions are given, as well as their advantages and disadvantages.
Keywords: automation, technological processes, production, innovative technologies.
Беспилотный летательный аппарат (БПЛА или БЛА) - летательный аппарат без экипажа на борту.
При использовании сверхточной инерциальной системы на БПЛА (особенно на БПЛА малой дальности) отсутствие корректирующих сигналов от глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) может привести к ошибке инерциальной системы и аварии. Поэтому основным методом борьбы с этим считается подавление ГНСС. Использование высокоточных инерциальных навигационных систем также не решает проблему по следующим причинам: такие системы дорогие; со временем автономной работы погрешность определения координат увеличивается; масса инерциальной системы «средней точности» на основе лазерных или волоконно-оптических гироскопах составляет 8 кг, что делает проблематичным ее использование на БПЛА малой и даже средней дальности [1].
Получается, возникает противоречие: методы, ведущие к повышению точности навигации, также приводят к потере автономности и помехозащищенности системы. Это противоречие решается внедрением видеонавигации совместно с определением координат БПЛА путем пеленгационных измерений на наблюдаемый объект с известными координатами.
Видеонавигация. Чтобы использовать этот метод, нужно получить изображение местности камерой, а затем его проанализировать бортовым компьютером и на основе этого анализа
Секция «Автоматика и электроника»
найти координаты и ориентацию летательного аппарата. Этот метод аналогичен методам, которые используются человеком для ориентации в пространстве, в его основу положены 3 базовых способа [2].
1. Расчет пройденного расстояния на основе анализа потока видеоданных, который поступает с оптико-электронных приборов наблюдения. В первом кадре видеопотока находятся характерные точки, по ним происходит отслеживание их движения в кадре, и уже по характеру этих движений программа определяет, как меняется положение и ориентация самой камеры. Основное ограничение метода - возможность лишь относительного определения координат и ориентации, а это со временем может привести к росту ошибки навигации.
2. Метод точной привязки к местности через стереоэффект, который появляется при движении камеры, он позволяет частично закрыть недостатки первого метода. Рельеф восстанавливается на основе наложения потока фото- и видеоданных, сравнивается с сохраненными данными, в случае «распознавания» определяются точная ориентация и координаты. Основным преимуществом перед предыдущим методом является возможность нахождения не только относительного, но и абсолютного положения камеры, так как знание карты привязывает камеру к конкретным точкам на местности с абсолютно известными координатами. Основным недостатком метода является его чувствительность к большим ошибкам начальных координат камер, которые были получены от инерционных навигационных устройств, ведь метод затем должен их уточнять, а также невозможность работы над поверхностью воды или песка и появление значительной ошибки в отсутствие явно выраженного рельефа.
3. Метод точной привязки по эталонным фотографиям. Тут видеокадры сравниваются с изображениями участков маршрута, заложенными в память, и в случае «распознавания» определяется точная ориентация и координаты. Даже при отсутствии рельефа этот метод может обеспечить высокую точность определения абсолютных координат. Также он позволяет найти абсолютное положение камеры, когда ее приблизительные координаты неизвестны вообще. Достигается это сканированием всей базы данных изображений местности и сравнением их с текущим снимком. Более того, имея «привязанное» изображение можно с высокой точностью определять координаты наземных объектов, которые обнаружены оптико-электронной аппаратурой.
Определение координат БПЛА по измерениям пеленга на наблюдаемый объект с известными координатами. Из-за отсутствия прямых измерений дальности до цели, появляется задача определения ее координат только по угловым измерениям. Следующим шагом будет привязка координат цели к карте местности, что требует точного определения положения самого БПЛА и в целом реализации метода одновременной локализации и картографирования.
Существует целый ряд алгоритмов, которые используют для локализации целей по пеленгу. Более распространенный алгоритм использует расширенный фильтр Калмана или набор фильтров, которые соответствуют разным диапазонам дальности. Использование специального рандомизированного тестового сигнала во входном канале позволяет определять параметры объекта управления, при рассмотрении модели объекта практически с произвольными аддитивными помехами. Помехи могут быть неслучайными, коррелированными или белыми шумами с нулевым средним значением или смещением, отношение сигнал/шум может быть высоким или низким. Свойствами случайных тестовых сигналов обеспечивается восстановление неизвестных значений параметров. Эти свойства добавляются в контуре управления к собственным сигналам адаптивного управления, возникающим в результате обратной связи [3].
Этот метод оценивания сводится к рекуррентному решению системы линейных уравнений с шумом, который зависит от оцениваемых координат, эта задача может быть сведена к
задаче линейной фильтрации Калмана, ее решение дает несмещенные оценки координат целей и значения их ковариационной матрицы, а они пересчитываются рекуррентно аналогично стандартному фильтру Калмана. Наличие текущих оценок ковариационной матрицы позволяет сформулировать задачу для планирования траектории БПЛА, что гарантирует минимизацию ошибок оценки координат в условиях ограниченных полетных ресурсов. Для уточнения координат самого БПЛА необходима привязка к каким-либо ориентирам на местности, например сеть радиолокационных вышек, пеленгующих положение БПЛА и сообщающих ему пеленг на определенной, фиксированной заранее частоте, либо набор характерных элементов ландшафта с точно известными координатами, которые беспилотный летательный аппарат распознает и определяет углы на элемент, относительно своего положения в пространстве. На рисунке 1 приведена обобщенная схема навигации БПЛА.
Вил оная информация
Цифровой рельеф
А'зрофото-нли
космические снимки
I
] [анныс
инерииалыюй
системы
Программный пакет
I
раек
I
Фильтр Калмана
Данные OPS
9
ОС ТТ^ни—
Висстаиовделиан граеоирня попета
Рис. 1. Обобщенная схема навигации БПЛА
Таким образом, следует отметить, что уже проведена разработка математических основ указанных методов, математически обоснована и доказана их реализуемость. Предварительные оценки и компьютерное моделирование показывают, что использование методов определения координат объекта по видовой информации и цифровым геоданным позволяет определять координаты местоположения с погрешностью не более 30 м независимо от времени. Наилучший результат даёт комплексное использование всех методов в сочетании с «традиционными» системами навигации, например, с инерциальной навигационной системой.
Библиографические ссылки
1. Купервассер О.Ю., Рубинштейн А.А. Система навигации беспилотных летательных аппаратов с помощью видео // Методолог,2012. [Электронный ресурс] URL: http://www.metodolog.ru/node/1570/ (дата обращения: 3.04.2022).
2. Монаков А.А. Теоретические основы радионавигации: Учеб. пособие/СПбГУАП. СПб., 2002. 70 с. [Электронный ресурс] URL: http://window.edu.ru/resource/720/44720/files/ monakov.pdf (дата обращения: 3.04.2022).
3. Амелин К., Миллер А. Алгоритм уточнения местонахождения легкого БПЛА на основе калмановской фильтрации измерений пеленгационного типа // Информационные процессы, 2013. [Электронный ресурс] URL: http://www.jip.ru/2013/338-352-2013.pdf (дата обращения: 4.04.2022).
© Мусина А.В., 2022
