CC BY
189
Список литературы
1. Авиация: энциклопедия / Гл. ред. Г.П. Свищёв; Центр. аэрогидродинам. ин-т им. Н.Е. Жуковского. М.: Науч. изд-во «Большая Российская энциклопедия», 1994. 735 c.
2. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя; под ред. И.Н. Жестковой. М.: Машиностроение. 2001. 864 с.
3. Повх И. Л. Аэродинамический эксперимент в машиностроении. М.: Изд-во «Машиностроение», 1965. 540 с.
4. Савельев И.В. Курс общей физики. В 5 книгах. Книга 2. Электричество и магнетизм. Учебное пособие для втузов. М.: АСТ, Астрель, 2008. 336 c.
Лихошерст Владимир Владимирович, канд. техн. наук, доцент, lvv_01@inbox. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Рылеев Михаил Дмитриевич, студент, tgupu@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
CALCULATION OF ELECTROMAGNETIC INTERCEPTOR STEERING GEAR
FOR SMALL AIRCRAFT
V. V. Likhosherst, M.D. Ryleev
The principle of calculating the electrical equipment of the interceptor steering gear for a small-sized aircraft is considered. The schematic diagram and approach to the calculation of the main tractive effort and overall dimensions of the steering drive are presented.
Key words: steering gear, spoiler, electromagnet.
Likhosherst Vladimir Vladimirovich, candidate of technical sciences, docent, lvv Ql a inhox. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Ryleev Mikhail Dmitrievich, student, tgupu@yandex. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 51-74
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ МЕТОДОВ
НАЧАЛЬНОЙ ВЫСТАВКИ БИНС НА ПОДВИЖНОМ ОБЪЕКТЕ
О.С. Балабаев, А.В. Прохорцов
Осуществлён сравнительный анализ бесплатформенных инерциальных навигационных систем (БИНС), устанавливаемых на подвижный объект с возможностью начальной выставки в динамических условиях. Произведено сравнение и выбор оптимального метода начальной выставки БИНС и составлена их классификация.
Ключевые слова: бесплатформенная инерциальная навигационная система, подвижный объект, беспилотный летательный аппарат, метод трансферной выставки.
Широкое применение инерциальных систем навигации в различных видах летательных аппаратов привело к возникновению потребности проводить начальную выставку на подвижном основании. Повышение требований к этим характеристикам связано, в частности, с разработкой беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) и различных систем вооружения.
Актуальность данной задачи обусловлена необходимостью повышения точности навигации БПЛА, запускаемого с борта носителя. Ошибки в определении навигационных параметров БПЛА, как правило, складываются из трех составляющих: методической погрешностью навигационного алгоритма, инструментальными ошибками инерци-альных датчиков и погрешностью определения начального положения БПЛА. Выбор и разработка оптимального метода начальной выставки позволяет полностью или частично скомпенсировать последние две составляющие [1].
На этапе начальной выставки БИНС, прежде всего, решаются две следующие задачи: определение начальных значений скорости и координат местоположения БПЛА и определение ориентации измерительных осей акселерометров [2].
Для решения данной задачи был выполнен сравнительный анализ существующих методов и составлена их классификация. На рис. 1 видно, что есть два основных способа начальной выставки БИНС: автономная выставка и выставка с привлечением сторонних источников информации (магнитометров, систем спутниковой навигации и
др.).
Выставка БИНС с привлечением сторонних источников информации включает в свой состав множество способов (рис. 2).
Также, для выявления оптимального метода начальной выставки БИНС была составлена их сравнительная характеристика, результаты которой были внесены в табл. 1 - 3.
По принципу построения гироскопической системы
Абтономная Выставка
I
По условиям раВоты
Методы начальной Выставки БИНС
Начальная выставка по параметрам ориентации
1
Выставка с привлечением сторонних ист. информации
I
Начальная выставка по проекции скорости
Начальная Выставка по координатам
Рис. 1. Классификация методов начальной выставки БИНС
Начальная выставка по параметрам ориентации
Определение параметров ориентации датчиками жёстко
связанными с Выставляемой БИНС
Метод —*■ трансферной Выставки
Способ Согласование Согласование углового по Вектору по Вектору согласования ускорения скорости
Выставка с
привлечением
сторонних Начальная
ист. информации выставка по —
Начальная координатам
выставка по
проекции Корреляционно-
скорости -зкстремальные ■*-
Манометрические системы
методы изм. А строномические
скорости приВоры
Спутниковые
> радионавиг. Радионавигационные
системы и спутниковые
Лоплеровские системы
*■ и лазерные
изм. скорости
Рис. 2. Классификация методов начальной выставки БИНС с привлечением сторонних источников информации
Автономными способами начальной выставки БИНС являются способы гиро-компасирования, выполненных по разным схемам. Существует 3 способа гирокомпаси-рования: физическое, аналитическое и полуаналитическое.
Из табл. 1 видно, что при использовании современных датчиков угловой скорости и реализации вращения блока ЧЭ вокруг вертикальной оси наиболее перспективным подходом к начальной выставки при помощи гирокомпасов является использование именно полуаналитической схемы гирокомпасирования, так как она будет иметь наибольшую точность по сравнению с другими схемами.
Таблица 1
Преимущества и недостатки автономных методов начальной выставки БИНС
Название метода Достоинства Недостатки
Физическое гирокомпасирование Сокращение времени прихода в раб. состояние за счёт возможности подстройки периода собственных колебаний (при помощи регулировки коэффициента передачи цепи коррекции) Невозможность работы в высоких широтах в связи с ростом погрешности и угла поворота гироузла относительно рамки
Аналитическое гирокомпасирование Простота конструкции и небольшая стоимость Высокие требования к точности датчиков угловой скорости и акселерометров
Возможность применения аппарата кватернионов для решения задачи ориентации, что позволяет использовать метод при любом его положении в пространстве Увеличение стоимости системы и уменьшение точно -сти, особенно при работе на подвижном основании
Полуаналитическое гирокомпасирование Устранение влияния на точность погрешностей смещения нуля и коэффициента передачи Используется вращение блока ЧЭ вокруг вертикальной оси, усложнение конструкции
Более низкие требования к характеристикам ЧЭ Метод требует достаточно большого времени для определения азимута
Возможность калибровки ЧЭ в процессе работы и повышение точности измерения угла азимута Чувствительность к динамическим погрешностям ДУС, в частности, к фазовому запаздыванию
Рассмотрим методы начальной выставки БИНС с привлечением сторонних источников информации. В табл. 2 видно, что спутниковые навигационные системы и акселерометры подходят для коррекции БИНС в большей степени, чем остальные источники навигационной информации. Это обуславливается высокой точностью измерений координат, скорости и параметров ориентации объекта.
Таблица 2
Преимущества и недостатки методов начальной выставки БИНС
с привлечением сторонних источников^ информации
Название метода Достоинства Недостатки
Спутниковые радионавигационные системы [5-24] Малое время готовности Большое количество оборудования для приёма и обработки сигналов СРНС (2 антенны и вычислитель)
Низкая стоимость по сравнению с инерциальными системами такого же класса точности Увеличение точности измерений за счёт габаритов аппаратуры
Высокая точность измерений координат Ограниченная зона покрытия и приверженность помехам
Окончание таблицы 2
Название метода Достоинства Недостатки
Астрокомпас Независимость точности показаний от высоты, скорости, продолжительности или местности (в том числе и в непосредственной близости к географическим и магнитным полюсам Земли) Сложность и громоздкость аппаратуры
Возможность применения только при условии видимости навигационных светил
Магнитный компас Обеспечение необходимой точности определения положения по курсу Требуются дополнительные приборы
Простота устройства и автономность, небольшие габариты Необходимость решения задач компенсации влияния магнитных возмущений и статической фильтрации случайных помех
Корреляционно-экстремальные системы Возможность сокращения минимально необходимого состава измерителей, требуемых для функционирования Необходимо наличие цифровых карт полей и вычислительные мощности
Зависимость характеристик полей от фактора времени, местности и погоды
Доплеровские и лазерные измерители скорости Обеспечивают точность Такие приборы являются источником электромагнитного излучения, что позволяет его обнаружить
Требуется наличие на корпусе выходных и входных отверстий
Манометрические методы измерения скорости Автономность Оказывают влияние на аэродинамику и испытывают влияние погодных условий
Таблица 3
Преимущества и недостатки трансферных методов начальной выставки БИНС
Название метода Достоинства Недостатки
Способ углового согласования В комбинации с другими способами начальной выставки достигает большей точности начальной выставки Имеет ограниченное применение. Изгибные деформации носителя, погрешности установки системы, и ошибки подвески ЛА, возник. трудности выставки из-за согласования ведущей и ведомой систем
Согласование по вектору ускорения Простота алгоритма Измерения для алгоритма подвергаются возмущениям, так как инерциальные датчики устанавливаются на борту БПЛА
Согласование по вектору скорости В процессе интегрирования показаний акселерометра проявляется эффект сглаживания Необходимо иметь мат.модель ошибок БИНС
Необходимо иметь априорную статистическую информацию об имеющихся в системе помехах и возмущениях
Для применения данного способа требуется совершение носителем манёвра типа «змейка»
Помимо этого, начальная выставка в рамках решаемой задачи может быть достигнута привлечением вспомогательной информации от навигационной системы носителя. В зарубежной литературе имеет название transferalignment (трансферная выставка) [3, 4]. Согласно выше представленной классификации данный метод является основой для методов углового согласования, согласования по вектору ускорения и согласования по вектору скорости.
Таким образом, сравнительный анализ различных методов начальной выставки БИНС на подвижном объекте по критерию эффективности, учитывающему требования по точности и информационной автономности при обеспечении высоких
эксплуатационных характеристик(надёжности, времени готовности при запуске из холодного состояния, возможности ремонта) показал [25, 26], что для систем навигации ПО целесообразнее использовать интегрированную навигационную систему состоящую из БИНС, показания которой корректируют от СРНС и БИНС, установленной на БПЛА, по координатам, линейной скорости и по параметрам ориентации.
Список литературы
1. Зарипов А.Н. Алгоритм начальной выставки бесплатформенной инерциаль-ной навигационной системы беспилотного летательного аппарата. 2017. 97 с.
2. Липтон А. Выставка инерциальных систем на подвижном основании/ А. Лип-тон; пер. с англ. Л.Г. Клибанова. М.: Наука, 1971. 167 с.
3. Веремеенко К.К., Савельев В.М. Выставка бесплатформенной инерциальной навигационной системы беспилотного летательного аппарата в полете // Известия РАН. Теория и системы управления. 2013. №1. С. 111-121.
4. Матвеев В.В., Распопов В.Я. Основы построения бесплатформенных инерциальных навигационных систем; под общ. ред. В.Я. Распопова. СПб.: ГНЦ РФ ОАО «Концерн ЦНИИ «Электроприбор»», 2009. 280 с.
5. Патент 2338160 РФ С1. Способ определения параметров навигации / Богданов М.Б., Савельев В.В., Смирнов В. А., Сухинин Б.В., Прохорцов А.В., Чепурин А. А. Опубл. 10.11.2008. Бюл. №31.
6. Патент 2329469 РФ С1. Способ определения параметров навигации /Богданов М.Б., Савельев В.В., Смирнов В. А., Сухинин Б.В., Прохорцов А.В., Чепурин А. А. Опубл. 20.07.2008. Бюл. № 20.
7. Прохорцов А.В., Савельев В.В. Методы определения координат и скорости подвижных объектов с помощью спутниковых радионавигационных систем // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2011. Вып. 2. С. 264-274.
8. Прохорцов А.В., Минина О.В. Аналитическое решение навигационной задачи на основе разностно - дальномерного метода // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2020. Вып. 6. С. 123-126.
9. Прохорцов А. В., Минина О. В. Аналитическое решение навигационной задачи на основе разностно-радиально-скоростного метода // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2020. Вып. 9. С. 276-279.
10. Прохорцов А.В., Савельев В.В. Основы функционирования спутниковых навигационных систем: учеб. пособие. Тула: Изд-во ТулГУ, 2014. 104 с.
11. Прохорцов А. В. Методы определения параметров ориентации подвижных объектов по сигналам спутниковых радио - навигационных систем // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2013. Вып. 1. С. 258-267.
12. Патент на изобретение ЯИ 2276384 С2. Способ определения угловой ориентации объекта/ Богданов М.Б., Прохорцов А.В., Савельев В.В. Опубл. 20.08.2009. Бюл. №23.
13. Патент 2248004 РФ С2. Способ определения угловой ориентации объекта/ Блинов В.В., Богданов М.Б., Прохорцов А.В., Савельев В.В., Сухинин Б.В. Опубл. 10.03.2005. Бюл. № 7.
14. Прохорцов А.В. Способы определения параметров ориентации подвижных объектов по сигналам спутниковых навигационных систем. Монография. Тула: Изд-во ТулГУ, 2013. 80 с.
15. Патент 2414685 РФ С1. Способ определения угловой ориентации объекта/ Богданов М.Б., Прохорцов А.В., Савельев В.В., Власов А.Ю., Данилов М.Б. Опубл. 20.03.2011. Бюл. № 8.
16. Прохорцов А.В., Уварова Н.А.Обзор современной приемной аппаратуры СНС российского производства // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2016. Вып. 5. С. 165-170.
17. Патент 2364884 РФ C2. Способ определения угловой ориентации объекта / Богданов М.Б., Прохорцов А.В., Савельев В.В., Сухинин Б.В. Опубл. 20.08.2009.
18. Prokhortsov A.V., Savelev V.V., Smirnov V.A. A method of orientation data correction of a strap down inertial navigation system by signals received from one satellite navigation system antenna. В сборнике: 19th Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems, ICINS 2012 - Proceedings. 19. 2012. P. 232-234.
19. Прохорцов А.В., Богданов М.Б., Савельев В.В., Сухинин Б.В. Метод определения параметров ориентации с помощью СНС, основанный на измерении координат трех его точек // Известия Тульского государственного университета. 2006. С. 309.
20. Патент 2422844 РФ C2. Способ определения угловой ориентации объекта/ Богданов М.Б., Савельев В.В., Смирнов В.А., Прохорцов А.В., Чепурин А.А., Опуб. 27.06.2011. Бюл. № 18.
21. Богданов М.Б., Прохорцов А.В., Савельев В.В., Сухинин Б.В. Интерферомет-рический метод определения параметров ориентации ЛА / Полет. Общероссийский научно-технический журнал. Москва: Изд-во Машиностроение-Полет. 2007. Вып. 11. С. 45-47.
22. Прохорцов А. ВВозможности определения параметров угловой ориентации по сигналам одной антенны СНС // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2013. Вып. 11. С. 74-79.
23. Прохорцов А.В. Метод повышения точности определения параметров ориентации путем совместной обработки сигналов БИНС и приемной аппаратуры СНС с применением одной антенны по сигналам с трех и более навигационных спутников // Известия Института инженерной физики. 2018. Вып. 3. С. 31-36.
24. Прохорцов А.В., Савельев В.В., Смирнов В.А. Способ коррекции показаний БИНС по параметрам ориентации по сигналам одной антенны СНС // XIX Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам. Сборник материалов. 2012. С. 208-210.
25. Titterton D.H., Weston J.L. Strapdown inertial navigation technology. IEE, 2004.
581 p.
26. Савельев В.М., Антонов Д.А. Выставка бесплатформенной инерциальной навигационной системы беспилотного летательного аппарата на подвижном основании/ // Электронный журнал «Труды МАИ». Выпуск №45. [Электронный ресурс] URL: https://mai.ru/upload/iblock/636/vystavka-besplatformennoy-inertsialnoy-navigatsionnoy-sis-temy-bespilotnogo-letatelnogo-apparata-na-podvizhnom-osnovanii.pdf (дата обращения: 10.02.2020).
Балабаев Олег Сергеевич, аспирант, olezhkabalabaev@,gmail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Прохорцов Алексей Вячеславович, канд. техн. наук, доцент, заведующий кафедрой, pproxav@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
COMPARATIVE ANALYSIS OF THE INITIAL SINS EXHIBITION METHODS
ON A MOVING OBJECT
A.V. Prokhortsov, O.S. Balabaev
A comparative analysis of strapdown inertial navigation systems (SINS) installed on a moving object with the possibility of an initial exhibition in dynamic conditions has been carried out. Comparison and selection of the optimal method of the initial SINS alignment was made and their classification was compiled.
Key words: strapdown inertial navigation system, mobile object, unmanned aerial vehicle, transfer exhibition method.
Balabaev Oleg Sergeevich, student, olezhkabalabaev@,gmail. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Prokhortsov Alexey Vyacheslavovich, candidate of technical sciences, docent, head of department, proxav@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 629.056.8
АНАЛИТИЧЕСКОЕ РЕШЕНИЕ НАВИГАЦИОННОЙ ЗАДАЧИ НА ОСНОВЕ ПСЕВДОДАЛЬНОМЕРНОГО МЕТОДА
А.В. Прохорцов, О.В. Минина
Навигационная задача определения пространственно-временного положения малогабаритных высокоманевренных объектов военного и гражданского назначения по сигналам спутниковой радионавигационной системы требует точного и быстрого решения, именно поэтому был предложен аналитический подход к нахождению координат подвижных объектов на основе псевдодальномерного метода, который позволил сократить время на математические преобразования.
Ключевые слова: спутниковая радионавигационная система, аналитические выражения, навигационные методы, навигационные параметры, псевдодальномерный метод.
Для определения положения движущихся малогабаритных объектов военного и гражданского назначения существует необходимость разработки методов, исключающих большие временные затраты на вычислительные процессы.
В программах, установленных на устройствах приемной аппаратуры (ПА) спутниковой радионавигационной системы (СРНС), в основном применяются методы, использующие численный подход к определению пространственных координат малогабаритных подвижных объектов (ПО), которые требуют длительных вычислительных процессов и имеют невысокую точность определения местоположения, так как оценивание координат осуществляется перебором приблизительных значений широты, долготы, высоты малогабаритных ПО [1 - 3].
В условиях исходной полной неопределенности информации об объекте наиболее точным способом для первоначального определения пространственного местоположения ПО по сигналам СРНС является псевдодальномерный метод [4].
В качестве навигационного параметра в указанном методе выступает псевдодальность Визы, поверхностью положения ПО является сфера с центром в точке центра масс навигационного спутника (НС), однако радиус этой сферы изменен на неизвестную величину D '. Для решения навигационной задачи с помощью псевдодальномерного метода необходимо производить измерения псевдодальностей до четырех НС, тогда координаты ПО могут определяться как точка пересечения четырех поверхностей сфер [5, 6]. Геометрическое представление данного метода показано на рис.
Необходимо отметить, если в геоцентрической системе координат (ГЦСК) высота ПО априорно известна, то число НС необходимых для решения навигационной задачи в части определения координат сокращается на один. Однако для этого потребуется информация о земном радиус-векторе, который является функцией широты места, в таком случае навигационную задачу можно решить с высокой точностью только путем приближений [7].
