CC BY
44
УДК 629.05
НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ, ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ И HR-ФАКТОРЫ ЭФФЕКТИВНОЙ РАЗРАБОТКИ ИНТЕГРИРОВАННЫХ НАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ*
Л.А. Фокин, В.Б. Садов, М.А. Шахина, В.П. Щербаков
SCIENTIFIC, TECHNICAL, EDUCATIONAL AND HR-FACTORS OF EFFECTIVE DEVELOPMENT OF INTEGRATED NAVIGATION SYSTEMS
L.A. Fokin, V.B. Sadov, M.A. Shahina, V.P. Sherbakov
Анализируются некоторые важные аспекты повышения эффективности разработки интегрированных навигационных систем подвижных объектов, ориентированных на выполнение задач, требующих повышенной точности навигационного обеспечения. Рассматриваются области применения и разновидности интегрированных навигационных систем.
Ключевые слова: интегрированная навигационная система, разработка, производство, элементная база, программный продукт, модернизация.
The paper analyzes some important aspects of efficiency management during the development process for the integrated navigation systems of mobile vehicles which are used in high accuracy critical applications. Types of integrated navigation systems and fields of its application are also considered.
Keywords: integrated navigation system, development, production, electronic devices, software, simulation, modernization.
Интегрированные навигационные системы различного состава и типов применяются на авиакосмических и морских объектах на протяжении десятков лет. С середины 1990-х гг. сфера их применения интенсивно расширяется [1-5] в связи с развитием теории и методов комплексирования информации, развитием геоинформационных технологий, средств спутниковой навигации, технологий проектирования и изготовления микроэлек-тромеханических и оптических устройств, а также и в связи с известными достоинствами интегрированных навигационных систем, основными из ко-
торых являются (достоинства приводятся в сравнении интегрированной системы с возможными обособленными навигационными системами, входящими в ее состав):
• повышенная точность навигации на заданном интервале времени;
• повышенная надежность (увеличенная вероятность непрерывности навигационного обеспечения);
• иногда, улученные массогабаритные показатели;
• иногда повышенная энергоэффективность.
* Работа выполнена в рамках реализации федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы. Государственный контракт № 11497 от 05.08.2009.
Фокин Леонид Алексеевич мл. науч. сотрудник Управления научных исследований, Южно-Уральский государственный университет; ezfm@yandex.ru Садов Виктор Борисович канд. техн. наук, доцент кафедры систем управления, Южно-Уральский государственный университет; sv_2005@inbox.ru Шахина Мария Анатольевна аспирант, Южно-Уральский государственный университет; тапа_з1юЫрйзупа@ rambler.ru
Щербаков Василий Петрович инженер кафедры систем управления, Южно-Уральский государственный университет; su@su.susu.ac.ru
Fokin Leonid Alekseevich - junior scientific expert of the Scientific research department of South Ural State University; ezfm@yandex.ru
Sadov Victor Borisovich - PhD, assistant professor of the Control systems department of South Ural State University; sv_2005@inbox.ru
Shahina Maria Anatolievna - postgraduate student of South Ural State University; maria_shchipitsyna@rambler.ru
Sherbakov Vasily Petrovich - engineer of the Control systems department of South Ural State University; su@su.susu.ac.ru
1. Разновидности интегрированных систем
и области их применения
За период с середины 1960-х гг. по настоящее время создана широкая номенклатура интегрированных навигационных систем для следующих применений [1-7]:
• морских и подводных;
• авиационно-космических;
• наземных;
• подземных на основе
• платформенных и бесплатформенных инер-циальных навигационных систем;
• приемников спутниковых навигационных систем;
• платформенных и бесплатформенных астрокорректоров и астроориентаторов;
• детекторов горизонта;
• радаров различных видов (в том числе альтиметров);
• инклинометров;
• магнитометров;
• одометров;
• других датчиков и систем.
В связи с развитием средств спутниковой навигации и расширением возможностей ее гражданского применения, наибольшее распространение получили инерциально-спутниковые навигационные системы слабосвязанной и сильносвязанной архитектуры, в меньшей степени - системы с глубокой степенью интеграции [3, 6, 8, 9]. Аст-роинерциальные системы, а также инерциально-спутниковые системы с астрокоррекцией используются на море, в авиакосмических приложениях (в верхней атмосфере и космосе) [5-7, 10].
2. Необходимость создания новых систем
Современные задачи управления подвижными объектами требуют повышенной точности навигации и максимальной вероятности непрерывности навигационного обеспечения [2, 6, 11, 12]. Эти задачи управления связаны с необходимостью повышения безопасности человека в различных средах, мониторингом передвижения объектов, повышением точности беспилотной или пилотируемой доставки грузов и выполнением разнообразных морских, наземных и космических миссий. Широк спектр задач наземной и космической геодезии, связанных с разработкой аналитических моделей и баз данных геофизических полей и сред для успешной реализации запланированных миссий и повышения, в конечном итоге, качества жизни человека [1, 5, 6].
С момента создания первых образцов интегрированных навигационных систем до настоящего времени успело смениться несколько поколений элементной базы и средств разработки таких систем [1, 2]. Массогабаритные и в некоторых случаях точностные характеристики ранних систем становятся все менее приемлемыми и фактически
ограничивают круг задач, которые могут решаться подвижными объектами. В связи с этим актуален широкий круг научных, технических, инфраструктурных и организационных задач разработки и модернизации интегрированных навигационных систем. Их эффективное решение достигается за счет ряда нижеследующих факторов.
3. Научно-технические факторы
эффективной разработки
Получение на завершающем этапе разработки наиболее надежных и, по возможности, эффективных в обслуживании интегрированных навигационных систем, так же как и максимальная эффективность всех этапов разработки, обеспечивается:
а) за счет предварительного многофакторного анализа существующих интегрированных систем, опыта их эксплуатации и формирования достаточных и экономически обоснованных требований к разрабатываемой интегрированной системе с точки зрения
• практической точности;
• потенциальной точности;
• массогабаритных показателей;
• энергопотребления;
• восприимчивости к условиям внешней среды (зависимость дрейфа параметров от внешних возмущений и его повторяемость) [13];
• отказоустойчивости (стрессоустойчивость в условиях критических внешних возмущений, а также в случае умышленного противодействия для систем специального назначения) [13];
• срока эксплуатации (обеспечение вероятности критического сбоя меньше заданного порога);
• ориентировочной рыночной стоимости;
• стоимости развертывания на объекте;
• стоимости сервисного обслуживания (перспектива экономичного сервиса изделия ввиду возможного принципиального устаревания элементной базы; вопросы замены вышедших из строя компонентов аналогами);
• стоимости и комплексности метрологического обеспечения;
б) за счет применения передовых научных подходов и методов, например:
• мультитраекторного исследования наблюдаемости погрешностей интегрированных навигационных систем (в связи с их мультисенсорной спецификой) с использованием методов пространства состояний и принципа декомпозиции больших систем с целью предсказания наблюдаемости погрешностей при пропадании показаний от некоторых источников навигационной информации [9, 14];
• неинвариантных алгоритмов обработки (использующих информацию об объекте) [15];
в) за счет использования передовой элементной базы, модулей, систем, как в составе конечного изделия, так и в составе средств разработки и отладки, например:
• микроэлектромеханических датчиков и систем (МЭМС);
• волоконно-оптических гироскопов (ВОГ);
• цифровых сигнальных процессоров (ЦСП, Digital Signal Processor, DSP) и программируемых логических интегральных структур (ПЛИС, Programmable Logic Device, PLD) с расширенными функциями
- энергосбережения;
- контроля функционирования;
- диагностики отказов;
• комбинированных многочастотных приемников спутниковых навигационных систем ГЛОНАСС/GPS/Galileo с возможностью дифференциальной коррекции, обработки измерений фазы несущей и использования системы разнесенных в пространстве антенн для определения ориентации по измерениям фазы несущей [3, 6, 8, 16];
• динамических и статических стендов для калибровки и испытаний;
г) за счет использования современных решений в области информационных и геотехнологий, искусственного интеллекта (как в составе самой интегрированной системы, так и в составе средств разработки и отладки), например:
• космических, широкозонных, районных и локальных систем поддержки навигации; цифровых карт районов земной поверхности, дна, физических полей Земли;
• нечеткой логики, нейронных сетей, генетических алгоритмов, элементов виртуальной реальности (перечисленные методы искусственного интеллекта могут использоваться, например, для прогноза погрешностей инерциальной навигационной системы при пропадании навигационного сигнала спутниковой навигационной системы и/или отсутствии показаний иных датчиков, а также для адаптации фильтра интегрированной системы) [17];
• локальных и удаленных баз данных; систем извлечения, обработки данных и формирования знаний из массивов гомогенной и гетерогенной информации.
4. Образовательные, HR-факторы
и материальное обеспечение
эффективной разработки
В связи с некоторой степенью устаревания
• учебно-методических материалов (книг, учебных пособий, альбомов и т. д.):
- моральное устаревание способов представления информации, например, рукописные или копирные символы и формулы;
- физическая изношенность бумажных носителей;
- в некоторых случаях, моральное устаревание излагаемых научных и практических методов -их несоответствие современной элементной базе и средствам разработки;
Л.А. Фокин, В.Б. Садов, М.А. Шахина, В.П. Щербаков
• частично методологии преподавания профильных дисциплин и проведения практических и лабораторных работ в вузах и учреждениях повышения квалификации;
• научно-исследовательского, технологического и производственного парка вузов и предприятий, накопившегося, главным образом, в период 1988-2005 гг., важными сопутствующими факторами, определяющими возможности эффективной разработки, а также ресурсно-эффективной модернизации интегрированных навигационных систем, являются:
• создание (либо, модернизация) и внедрение профильных научно-образовательных курсов, пособий, лабораторных работ и практикумов, серий научно-популярных материалов для школьников и школьных учителей в бумажном виде, с использованием современных полиграфических технологий, и в электронном виде, на переносных и виртуальных носителях, с использованием мультимедийных и интерактивных элементов, с размещением их в Интернете по модели открытого доступа (значительная часть подобных учебных материалов представлена в настоящий момент в «бумажном» виде, является устаревшей, становление же конкурентоспособных специалистов требует наличия актуальной аналитической и научно-практической базы обучения). Перечисленные научнообразовательные материалы должны быть ориентированы на последние достижения в теории мультисенсорных систем, теории управления, обработки информации, искусственного интеллекта, а также на использование современной элементной базы. Разработка или модернизация курсов подразумевает изменение парадигмы преподавания в направлении, близком к модели коучинга, т.е. более свободного, открытого общения преподавателя с учениками; использование в образовательном процессе компьютерной техники, видеопроекторов, тач-панелей, Интернет-ресурсов;
• обновление и расширение материальнотехнической базы профильных лабораторий вузов, НИИ и производственных предприятий;
• улучшение материального достатка кадров, вовлеченных в разработку систем навигации и управления, профессорско-преподавательского состава, и, как следствие, уменьшение среднего возраста работников профильных подразделений.
С 2006 г. прослеживается однозначная положительная тенденция к модернизации материально-технической базы вузов и их инфраструктуры, связанная с реализацией Приоритетного национального проекта «Образование», введением системы Национальных исследовательских университетов и реализацией социально-экономической стратегии развития России до 2020 года.
Заключение
Разработкой и производством элементов и систем навигации занимаются наиболее техноло-
гичные предприятия российской промышленности. Успешное и эффективное решение всех задач разработки требует как чуткого управления, достаточных интеллектуальных, финансовых, временных и административных ресурсов, использования современных методов и средств разработки, так и координированных усилий органов власти и профессионалов вузовско-производственного кластера, направленных на становление и закрепление специалистов и обеспечение технологического и производственного переоснащения отрасли.
Решение всех комплексных проблем разработки основано как на подходах, развитых за последние полвека, так и на ультрасовременных инструментах и методах, включающих мультипроцессорные вычислители, геоинформационные базы данных и модульные программные продукты.
Литература
1. Titterton, D. Strapdown Inertial Navigation Technology / D. Titterton, J. Weston. - IEE, 2005. -558 p.
2. Barbour, N. Inertial sensor technology trends / N. Barbour, G. Schmidt // IEEE Sensors Journal. -2001. - Vol. 1, № 4. - P. 332-339.
3. Интегрированные инерциально-спутнико-еые системы навигации / под ред. акад. РАН
B.Г. Пешехонова; сост. О.А. Степанов. - СПб.: ГНЦРФ - ЦНИИ «Электроприбор», 2004. - 235 с.
4. Степанов, О.А. Применение теории нелинейной фильтрации в задачах обработки навигационной информации / О.А. Степанов. - СПб.: ГНЦ РФ - ЦНИИ «Электроприбор», 2003. - 370 с.
5. Фокин, Л.А. Бесплатформенные ИНС для высокоточной околоземной навигации и спутниковой геодезии: анализ функционирования и погрешностей / Л.А. Фокин, А.Г. Щипицын // Известия РАН. Теория и системы управления. - 2008. - № 3. -
C. 164-176.
6. Анучин, О.Н. Бортовые системы навигации и ориентации искусственных спутников Земли / О.Н. Анучин, Н.Э. Комарова, Л.Ф. Порфиръев. -СПб.: ГНЦ РФ - ЦНИИ «Электроприбор», 2004. -326 с.
7. Fokin, L.A. Multisensor Data Fusion in Adaptive Astro-Satellite-Inertial Navigation System / L.A. Fokin // IEEE SIBCON-2007 Proceedings, Apr. 20-21, 2007, Tomsk, Russia. - Tomsk: TPU, 2007. -P. 22-28.
8. Kreye, Ch. Architectures of GNSS/INS Integrations - Theoretical Approach and Practical Tests / Ch. Kreye, B. Eissfeller, G. Ameres. - Institute of Geodesy and Navigation, Report D-85577. - University FAFMunich, Neubiberg, Germany, 2004 - 13 p.
9. Фокин, Л.А. Методы пространства состояний в задаче синтеза слабосвязанной инерци-алъно-спутниковой навигационной системы / Л.А. Фокин, А.Г. Щипицын // Вестник ЮУрГУ. Серия «Компьютерные технологии, управление, радиоэлектроника». - 2006. - Вып. 4, № 14(69). -С. 148-155.
10. Ali, J. An Algorithm for Astro-Inertial Navigation using CCD Star Sensors / J. Ali, C. Zhang, J. Fang // Aerospace Science and Technology. - 2006. -Vol. 10.-P. 449-454.
11. Автономные бесплатформенные инерци-альные навигационные системы: анализ функционирования и точности / Л.Н. Шалимов, А.Г. Щипицын, Л.А. Фокин, М.А. Шохина. - Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2010. - 228 с.
12. Шалимов, Л.Н. Прикладной программный продукт анализа и синтеза точности бесплат-форменных инерциальных навигационных систем / Л.Н. Шалимов, Л.А. Фокин, А.Г. Щипицын // Авиакосмическое приборостроение. - 2005. - № 12. -
С. 15-21.
13. Джашитов, В.Э. Датчики, приборы и системы авиакосмического и морского приборостроения в условиях тепловых воздействий / В.Э. Джашитов, В.М. Панкратов. - ГНЦ РФ -ЦНИИ «Электроприбор», 2005. - 404 с.
14. Observability of Error States in GPS/INS Integration / S. Hong, M.H. Lee, H.-H. Chan et al. // IEEE Transactions on Vehicular Technology. - 2005. -Vol. 54, №2. -P. 731-743.
15. Федоскин, О.Н. Неинвариантные алгоритмы обработки информации для БННС летательного аппарата / О.Н. Федоскин //Гироскопия и навигации. - 2005. —№ 2(49). - С. 19-30.
16. Yang, Y. Two Antennas GPS-Aided INS for Attitude Determination / Y. Yang, J. A. Farrell //IEEE Transactions on Control Systems Technology. - 2003. -Vol. 11, №6. -P. 905-918.
17. Semeniuk, L. Bridging GPS Outages Using Neural Network Estimates of INS Position and Velocity Errors / L. Semeniuk, A. Noureldin // Measurement Science and Technology. - 2006. - Vol. 17. -P. 2783-2798.
Поступила в редакцию 28 апреля 2011 г.
