Оглавление
Введение 3
1 Задача калибровки ВИНС на грубых одностепенных стендах 12
1.1 Введение к первой главе ................................. 12
1.2 Математические модели калибровки БИНС.................. 13
1.3 Анализ наблюдаемости .................................... 21
1.3.1 Калибровка на стенде с горизонтальной осью вращения .................................................... 21
1.3.2 Сравнение различных направлений оси вращения стенда в горизонте........................................ 27
1.3.3 Установка БИНС на стенде под углом................. 28
1.3.4 Калибровка на стенде с вертикальной осью вращения 29
1.4 Ковариационный анализ.................................... 33
1.4.1 Калибровка на стенде с горизонтальной осью вращения .................................................... 33
1.4.2 Сравнение различных направлений оси вращения стенда в горизонте........................................ 34
1.4.3 Установка БИНС на стенде под углом................. 34
1.4.4 Калибровка на стенде с вертикальной осью вращения 40
1.5 Привлечение информации об инвариантах ................... 43
1.6 Учет параметров калибровки при моделировании решения
навигационной задачи..................................... 46
(К
1
1.6.1 Калибровка на стенде с горизонтальной осью вращения .................................................. 47
1.6.2 Калибровка на стенде с вертикальной осью вращения 47
1.7 Заключение к первой главе............................... 48
2 Пространственное разнесение чувствительных масс ньютонометров 49
2.1 Введение ко второй главе................................ 49
2.2 Учет пространственного разнесения чувствительных масс
ньютонометров при калибровке............................ 50
2.3 Учет смещения инерциального измерительного блока относительно оси вращения стенда при калибровке............... 53
2.3.1 О наблюдаемости ветора, характеризующего смещение .................................................. 54
2.3.2 Численное моделирование........................... 55
2.4 Оценивание параметров пространственного разнесения
чувствительных масс ньютонометров ...................... 58
2.5 Заключение ко второй главе ............................. 66
3 Особенности алгоритма калибровки для блока грубых датчиков 67
3.1 Введение к третьей главе................................ 67
3.2 Модель инструментальных погрешностей для блока грубых датчиков................................................ 68
3.3 Обратные связи в уравнении Пуассона..................... 70
3.4 Использование информации об орте оси вращения........... 72
3.5 Пример обработки данных калибровочного эксперимента . 75
3.6 Заключение к третьей главе.............................. 79
Основные результаты диссертации 80
Список литературы 82
2
Введение
Ииерциальная навигация — метод определения параметров движения и координат объектов (судов, самолетов, ракет и др.), не нуждающийся во внешних ориентирах или сигналах (например, звездах, маяках, радиосигналах и т. п.). Приборную основу инерциальных навигационных систем (ИНС) составляют два устройства: ньютонометр1 (датчик удельной силы) и гироскоп, либо датчик угловой скорости (ДУС). Инерци-альная навигационная система обычно включает в себя три одностепенных ньютонометра, два или три гироскопа. В платформенных ИНС они конструктивно связаны и образуют гиростабилизированную платформу, в бескарданных ИНС (БИНС) — жестко связаны с корпусом объекта и реализованы в виде датчиков угловой скорости. Для интегрирования уравнений движения используется бортовой вычислитель. Поскольку в БИНС ньютонометры и ДУС жестко связаны с корпусом объекта, совершающего маневры с характерной высокой частотой, от бортового вычислителя требуется высокое быстродействие, которым раньше бортовые компьютеры не обладали. Возросшие возможности компьютеров эту проблему решают, выводя на передний план такие преимущества БИНС по сравнению с ИНС, как низкие энергопотребление и стоимость, гибкость в построении различных функциональных схем навигации, меньшие эксплуатационные расходы, достигаемые за счет исключения из состава ИНС сложных и дорогостоящих устройств, в первую очередь таких, как карданов подвес. Длительность автономного функционирования как платформенной, так и бсскарданной ИНС ограничивается требованиями но точности навигации вследствие накопления навигационных
!в иностранной литературе — акселерометр
3
ошибок из-за постоянного воздействия инструментальных погрешностей. Задача идентификации инструментальных погрешностей или задача калибровки БИНС состоит в определении параметров, входящих в математическую модель инструментальных погрешностей для таких систем и включает в себя два этапа.
На первом этапе вводится априорная математическая параметризованная модель, которой подчиняется поведение инструментальных погрешностей ДУС и ньютонометров. Введенная модель должна, с одной стороны, обладать необходимой для наиболее точного предсказания поведения выходных сигналов датчиков полнотой, с другой — основываться на возможности обеспечения необходимой точности используемым при калибровке оборудованием. Чрезмерное усложнение и расширение модели ошибок чувствительных элементов навигационной системы при отсутствии методов их надежного детектирования может не только не увеличить точность навигационной системы в процессе ее эксплуатации, но и наоборот уменьшить.
Второй этап состоит в проведении специальных испытаний, в результате которых определяются параметры принятой модели. Обычно на большинстве отечественных предприятий, производящих навигационное оборудование, для проведения таких испытаний используются высокоточные стенды, позволяющие ориентировать корпус БИНС в различных положениях относительно некоторого координатного трехгранника, жестко связанного с вращающейся Землей, и точно измерять эту ориентацию. Например, описанная в [20]2, (21)3 и внедренная в ОАО ПН-ПГ1К (г. Пермь) методика калибровки БИНС с использованием математической модели ошибок БИНС предполагает наличие высокоточных наклонно-поворотных столов (НПС), обеспечивающих точность углового позиционирования БИНС до 2-3 угловых секунд. Типичная мето-
2Ермаков B.C. и др. Калибровка бесплатформенных инерциальных систем навигации и ориентации. // Вестник Перм. гос. техн. ун-та Аэрокосмическая техника, 2004. т. 18, с. 25- 30.
3Ермаков B.C. Автоматизация калибровки бесплатформенных инерциальных навигационных систем на волоконно-оптических гироскопах.— Диссертация на соиск. уч. ст. кандидата технических наук. Перм. гос. техн. ун-т, 2007,
А
дика проведения калибровочного эксперимента предполагает установку БИНС в плоскость горизонта с указанием продольной оси на север с высокой точностью. После данного расположения производится процедура выставки БИНС, после ее завершения система переводится в режим навигации, в ходе которого регистрируются ошибки БИНС по скорости и курсу. Иногда в структурную схему инерциального навигационного алгоритма вводятся [26]4 в виде дополнительных корректирующих сигналов, что дает возможность изменения времени, необходимого для оценивания смещений нулей датчиков угловой скорости ВИНС. При ограниченных объемах носителей информации использование подобного рода методик было удобно, поскольку интегрирование осуществлялось в бортовом вычислителе БИНС, а следовательно, отсутствовала необходимость высокой частоты регистрации данных. В настоящее время это перестает быть достоинством упомянутых методов в связи с появлением возможностей высокочастотной регистрации данных с датчиков первичной информации. В то же время к уже упомянутым недостаткам, таким как сложность и длительность калибровочного эксперимента, следует добавить наличие дополнительного интегрирования и сложность обработки экспериментальных данных.
Все упомянутые методы калибровки являются традиционными в том смысле, что задачу идентификации рассматривают как задачу оптимального оценивания вектора инструментальных погрешностей БИНС но известным измерениям на основе квадратичного критерия оптимальности (в таких постановках, как МНК, фильтр Калмана и др.). При этом они строятся в предположении, что вероятностные характеристики ошибок измерений известны. Однако на практике не всегда можно с достаточной уверенностью сделать какие-либо предположения относительно статистических характеристик ошибок измерений. В этой связи небезынтересна идея использования в задачах калибровки гарантирующего подхода (А.И.Матасов и др.). Данный подход обеспечивает оптимальную оцеи-
4Пазычев Д.Б. Балансировка бесплатформенной инерциапьной навигационной системы среднего класса точности // Наука и об])азование. Электронное научно-техническое издание, 2011, №3.
- Київ+380960830922