CC BY
71
Sklyarov Sergey Nikolaevich, postgraduate, deputy director, department director, Russia, Krasnogorsk, PAO Krasnogorsk Factory name S.A. Zverev
УДК 621
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПОСТРОЕНИЯ ИСОН
ВЫСОКОМАНЕВРЕННОГО ПОДВИЖНОГО ОБЪЕКТА НА ОСНОВЕ АКСЕЛЕРОМЕТРИЧЕСКОЙ БИНС
А.В. Прохорцов, Д.В. Шестопалов, Н.А. Уварова, Н.Д. Юдакова
Рассмотрена интегрированная система ориентации и навигации (ИСОН) построенная на основе акселерометрической бесплатформенной инерциальной навигационной системы. Моделированием на ПЭВМ и экспериментальными исследованиями подтверждена возможность определения с помощью ИСОН координат подвижного объекта с приемлемой точностью.
Ключевые слова: акселерометрическая БИНС, коррекция по координатам, коррекция по скорости, коррекция по параметрам ориентации.
В настоящее время широкое распространение получили микромеханические акселерометры (ММА), достоинством которых является малый вес, габариты и стоимость. Благодаря этому стало возможным построение бесплатформенной инерциальной навигационной системы (БИНС) с разнесенными акселерометрами, без использования ДУСов.
Имеющиеся публикации показали, что на основе существующих ММА уже возможно построение акселерометрической БИНС (АБИНС), позволяющей получить приемлемую точность определения навигационных параметров в течение 10с движения подвижного объекта. Для более длительного времени определения навигационных параметров необходима разработка интегрированной системы ориентации и навигации (ИСОН), в которой показания АБИНС будут корректироваться по сигналам аппаратуры спутниковой навигационной системы (СНС).
Целью работы является оценка возможности построения ИСОН на основе АБИНС для применения на борту высокоманевренного летательного аппарата с малым временем полета (до 150 секунд).
Как известно возможно два основных варианта построение АБИНС
[1, 2]:
- на разнесенных акселерометрах измеряющих центростремительное ускорение;
- на разнесенных акселерометрах измеряющих тангенциальное ускорение.
Были разработаны математические модели ИСОН на основе двух вариантов АБИНС, и проведено моделирования работы ИСОН для двух различных условий эксплуатации:
- объект движется равноускоренно с ускорением 0,5 м/с , прямолинейно и совершает колебания по курсу с амплитудой 150 и частотой 1Гц (при этом начальная скорость равна 0);
- объект движется равноускоренно с ускорением 0,5 м/с и прямолинейно без изменения угла курса (при этом начальная скорость равна 0).
При моделировании считалось что расстояние между разнесенными акселерометрами - 1 метр, и были заданы следующие значение аддитивной и мультипликативной составляющей погрешности для акселерометров
= 0,02%, Ааадд = 0,2 м/с2.
Для построения ИСОН рассмотрена разомкнутая схема комплекси-рования, когда через равные промежутки времени (в нашем случае через 5 секунд) сравниваются показания СНС и БИНС и происходит сброс погрешности. В данном случае показания СНС принимаются за идеальные.
Коррекцию будем проводить по трем параметрам: углу курса, скорости и координатам объекта. При моделировании считалось, что погрешность аппаратуры СНС в определении координат ± 10 м, в определении скорости ± 0,1 м/с, в определении угла курса ± 0,20.
Результаты моделирования работы ИСОН приведены в табл. 1.
Таблица 1
Результаты моделирования
Параметр При измерении тангенциального ускорения При измерении центростремительного ускорения
При движении по прямой с качкой по курсу При движении по прямой без качки При движении по прямой с качкой по курсу При движении по прямой без качки
Без коррекции Погрешность, м 5404,88 5535,38 1537,13 5676,69
Коррекция по углу курса Погрешность, м 1201,09 5448,70 1572,31 6604,81
Коррекция по координате Погрешность, м 379,61 365,01 99,13 377,05
Коррекция по координате и скорости Погрешность, м 25,73 20,61 14,81 25,41
Коррекция по координате скорости и углу курса Погрешность, м 14,44 19,84 14,35 18,74
Из полученных результатов моделирования ИСОН на основе аксе-лерометрической БИНС можно сделать вывод, что метод комплексирова-ния по разомкнутой схеме приводит к положительным результатам.
Наиболее оптимальный результат получен при коррекции по координатам, скорости и углу курса объекта, при этом погрешность определения координат не превышает 20 метров, что достаточно для большинства применений ИСОН.
Для проведения экспериментальных исследований был разработан макетный образец ИСОН для решения навигационной задачи на плоскости, в состав которого входят две пары акселерометров АТ 1105(каждая пара установлена взаино-перпендикулярно друг другу, расстояние между акселерометрами в паре - 1 метр), GPS-приемник BU-353, АЦП ЛА-3 USB и ноутбук в качестве вычислителя (рис.1).
Рис.1. Макетный образец ИСОН: 1 - кронштейн с акселерометрами (расстояние между акселерометрами 1 метр); 2 - блок питания; 3 - GPS приемник; 4 - АЦП; 5 - ноутбук; 6 - тележка
Проведены экспериментальные исследования работы двух вариантов построения АБИНС:
- на разнесенных акселерометрах измеряющих центростремительное ускорение;
- на разнесенных акселерометрах измеряющих тангенциальное ускорение.
Для каждого варианта акселерометры закреплялись соответствующим образом, чтобы они измеряли, либо центростремительное, либо тангенциальное ускорения.
Для построения ИСОН рассмотрена разомкнутая схема комплекси-рования, когда через равные промежутки времени (в нашем случае через 5 секунд) сравниваются показания СНС и АБИНС и происходит сброс погрешностей.
При экспериментальных исследованиях использовался только один комплект аппаратуры СНС, поэтому не было возможности определения угла, и коррекция проводилась только по координате и по скорости.
Эксперимент проводился в два этапа:
1. Экспериментальные исследования работы ИСОН на неподвижном основании
2. Экспериментальные исследования работы ИСОН при движении по заданной траектории
При реализации первого этапа макетный образец ИСОН находился в контрольной точке с известными координатами, которые были определены с высокой точностью (погрешность не превышает 1 см).
Погрешность определения координат за 150 секунд с помощью макетного образцам ИСОН при нахождении на неподвижном основании приведены в табл. 2.
Таблица 2
Результаты экспериментальных исследований работы ИСОН
Параметр При измерении центростремительного ускорения При измерении тангенциального ускорения
Без коррекции Погрешность, м 3,3 43,1
Из полученных результатов видно, что на неподвижном основании погрешность определения координат значительно меньше при использовании метода определения координат по центростремительному ускорению.
Из табл. 2 видно, что погрешность определения координат не существенна, поэтому нецелесообразно использовать коррекцию показаний АБИНС по сигналам СНС.
При реализации второго этапа эксперимента макетный образец ИСОН помещался на тележку, которая двигалась по ровной горизонтальной площадке в течение 150 секунд по заданной траектории (рис.2), через контрольные точки координаты которых заранее известны с высокой точность.
У
Рис. 2. Траектория движения макетного образца ИСОН
Погрешность определения координат с помощью макетного образцам ИСОН представлена в табл. 3
Из табл. 3 видно, что погрешность определения координат существенна, поэтому использовалась коррекция показаний АБИНС по сигналам СНС.
Таблица 3
Результаты экспериментальных исследований работы ИСОН
При измерении цен- При измерении
Параметр тростремительного тангенциального
ускорения ускорения
Без коррекции Погрешность, м 503 943
Коррекция по координате Погрешность, м 70 113
Коррекция по координате Погрешность, м 47 39
и скорости
Из полученных результатов видно, что усложнение метода коррекции приводит к увеличению точности определения координат объекта.
Погрешность определения координат объекта с коррекцией по координатам, и скорости объекта составляет 30-50 метров, для уменьшения этой погрешности необходимо использовать коррекцию по параметрам ориентации определяемым по показаниям приемной аппаратуры СНС.
Список литературы
1. Богданов М.Б., Галкин А.А., Прохорцов А.В., Савельев В.В. Юдакова Н. Д. Инерциально-спутниковая система ориентации и навигации, построенная на основе акселерометрической БИНС // XVIII Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам: сборник материалов. С-Пб, 2011. С. 195-197.
2. Богданов М.Б., Прохорцов А.В., Савельев В.В. Смирнов В. А. Погрешности акселерометрической бесплатформенной инерциальной навигационной системы в условиях конического движения продольной оси летательного аппарата// XX Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам: сборник материалов. СПб, 2013. С. 47-49.
Прохорцов Алексей Вячеславович, канд. техн. наук, доц, proxav@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Шестопалов Даниил Валерьевич, студент, proxav@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Уварова Наталья Александровна, студент, natalita9314@,gmail.com, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Юдакова Надежда Дмитриевна, инженер, gaskova n@,mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
THEORETICAL AND EXPERIMENTAL JUSTIFICATION OF THE POSSIBILITY OF CONSTRUCTION OF IONS OF HIGHLY MOBILE OBJECTS BASED ACCELEROMETER SINS
A.V. Prohortsov, D.V. Shestopalov, N.A. Uvarova, N.D. Yudakova
We consider the integrated orientation and navigation system (IONS) in buildings on the basis of the accelerometer strapdown inertial navigational system. Simulation on PC and experimental studies confirmed the possibility of determination by IONS coordinate a moving object with an acceptable accuracy.
Key words: accelerometric SINS, correction of the coordinates, speed correction, the correction orientation parameters.
Prohortsov Alexey Vjacheslavovich, candidate of technical science, docent, prox-av@rambler.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Shestopalov Daniel Valerievich, student, proxav@rambler.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Uvarova Natalia Alexandrovna, student, natalita9314@,gmail.com, Russia, Tula, Tula State University,
Yudakova Nadezhda Dmitrievna, engineer, gaskova_n@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University
