Оглавление
Введение 5
1 Описание двух задач навигации 24
1.1 Задача навигации внутритрубного диагностической) снаряда...........24
1.2 Задача определения параметров движения дорожной лаборатории ... 27
1.3 Постановка задачи корі>екции ВИНС...................................29
2 Математические модели задачи коррекции ВИНО в режиме постобработки 32
2.1 Математические модели корректируемой БИНС ..........................33
2.1.1 Модельные уравнения..........................................34
2.1.2 Уравнения ошибок.............................................39
2.1.3 Модели корректирующих измерений..............................40
2.1.4 Модели инструментальных погрешностей ........................43
2.1.5 Вектор состояния уравнения ошибок БИІІС......................46
2.1.6 Модели корректирующих поправок к выходной информации . . 46
2.2 Алгоритм коррекции .................................................47
2.2.1 Вариант оценивания...........................................49
2
2.2.2 Вариант с введением обратных связей в модельные уравнения . 54
2.3 Алгоритм коррекции в случае зависимых модельпых переменных ... 56
2.3.1 Вариант оценивания.............................................. 58
2.3.2 Вариант с введением обратных связей в модельные уравнения . 64
2.4 Алгоритм сглаживания данных в режиме постобработки...................76
2.5 Выводы к главе ......................................................79
Алгоритмы навигации мобильных диагностических комплексов 80
3.1 Алгоритмы корректируемой ВИНС в задаче навигации ВДС....................81
3.1.1 Описание задачи................................................. 81
3.1.2 Математические модели алгоритма коррекции БИНС для ВДС
в режиме постобработки...........................................82
3.1.3 Модель одометрических измерений ВДС..............................85
3.1.4 Алгоритм обработки навигационной информации......................88
3.1.5 Результаты тестирования......................................... 91
3.1.6 Выводы к задаче..................................................95
3.2 Определение параметров движения
дорожной лаборатории................................................ 96
3.2.1 Введение........................................................ 96
3.2.2 Алгоритм обработки навигационной информации..................... 99
3.2.3 Результаты тестирования.........................................100
3.2.4 Анализ точности навигационного решения в зависимости от класса точности БИНС......................................................101
3.2.5 Другие области применения.......................................101
3.2.6 Выводы к задаче.................................................102
3.3 Выводы к главе......................................................106
Заключение 106
Литература 108
4
Введение
Диссертационная работа посвящена исследованию задачи навигации подвижных объектов при условии, что её решение допускает постобработку совокупной измерительной информации. При этом навигационная задача ставится как задача коррекции бескарданной инерциальной навигационной системы (БИНС) при помощи внешней информации. Предполагается, что используемые инерциальные датчики - ньютонометры и датчики угловых скоростей - достаточно грубы и не относятся к классу прецизионных приборов, а в качестве корректирующей информации могут использоваться данные одометров, спутниковой навигационной системы, координаты реперных точек, неявная скоростная и угловая информация на остановках.
Основные тенденции в задачах комплексной постобработки навигационной информации
В последние годы инерциальные методы и средства наряду с решением традиционных навигационных задач стали широко применяться для решения целого ряда прикладных проблем благодаря развитию в области технологии производства навигационных датчиков и средств сбора и регистрации информации.
Бтцё в 80-е годы прошлого века основная информация бортовых систем навигации
5
и управления движением регистрировалась на магнитных лентах при помощи бортовых накопителей типа ГАММА, Бапцсп. Анализ и обработка материалов каждого полета растягивались на несколько недель. Совершенствованию систем регистрации уделялось постоянное внимание. Например, в середине 90-х годов прошлого столетия в Летно-исследовательском институте им. М.М.Громова был создан макетный образец комплекса бортовых траекторных измерений [68]. Аналогичные системы регистрации информации разрабатывались и в других областях навигационных приложений, например, морских и наземных.
Назначение вышеуказанных систем сбора и регистрации информации как раз состоит в информационном обеспечении задач постобработки разнородной навигационной информации.
В лаборатории управления и навигации МГУ им. М.В. Ломоносова задачами навигации в режиме постобработки начали заниматься в начале 90-х. Это было связано с двумя приложениями (в хронологическом порядке):
• Задача тоиопрнвязки. Исследования проводились совместно с Московским институтом электромеханики и автоматики (МИЭА), 29 НИИ военно-топографического управления Министерства обороны. Суть задачи: на автомобиль устанавливалась инерциальная навигационная система (ИМС) платформенного типа И-21.
В процессе движения автомобиля ИНС функционировала автономно, были известны географические координаты стартовой и конечной точек трассы движения, а также моменты периодических остановок автомобиля. Требовалось в режиме постобработки при помощи выходной навигационной информации системы И-21, координат стартовой и конечной точек, признаков стоянки, определить траекторию движения автомобиля.
Эта задача была успешно решена с требуемой на тот момент времени точно-
6
стыо, а н процессе ее решения были .заложены основы методики решения задам постобработки в инерциалыюй навигации.
• Задача аэрогравиметрии. Исследования проводились совместно с Московским институтом электромеханики и автоматики, ВНИИ Геофизика, ЗАО ГНПП Аэрогеофизика, ЗАО Гравиметрические технологии, Институтом физики Земли РАН. Задача аэрогравиметрии - это задача построения карт гравитационных аномалий при помощи постобработки данных инерциалыюй навигационной системы (платформенного типа), данных спутниковой навигационной системы (СНС) (на тот момент времени только системы GPS) и данных гравиметра.
Задача аэрогравиметрни также была успешно решена с требуемой на тот момент времени точностью, а в процессе ее решения была развита уже сложившаяся методика решения навигационных задач в режиме постобработки. Развитие методики, в частности, состояло в построении алгоритмов обработки позиционной и скоростной спутниковой навигационной информации в дифференциальном режиме функционирования СНС, использовании уравнений ошибок демпфируемой платформенной ИНС (гравиметрический комплекс GT1A ЗАО Гравиметрические технологии), применяемых для вертикализации гравиметра.
Особенность применяемых алгоритмов постобработки в указанных приложениях состояла в том, что применялись достаточно точные платформенные ИНС. Это позволяло использовать линейные уравнения ошибок ИНС и задачу постобработки решать как типовую задачу калманоиского сглаживания на фиксированном интервале для линейной задачи оценивания. Кроме того, была доступна только выходная информация ИНС - координаты, скорости, параметры ориентации корпуса объекта, и не было возможности влиять на реализацию текущей ориентации приборного
7
трёхгранника ИНС - блока ньютонометров.
Современное состояние прикладных задач комплексной постобработки навигационной информации характеризуется следующими чертами:
• Относительная дешевизна и небольшие габариты инерциальных датчиков для сегмента гражданских потребителей;
• Возможность записи в реальном времени больших объемов первичной измерительной информации с высокой частотой;
• Отработанные технологии синхронизации информационных потоков, поступающих от различных навигационных датчиков и систем.
Это позволило резко расширит!» круг навигационных задач гражданского назначения, которые решаются достаточно небольшими организациями.
Как следствие, появились новые гражданские навигационные приложения, в которых возможна постобработка измерительной информации, причем, навигационные решения реального времени не обязательны. При этом основу алгоритмов инерциаль-ного счисления составляют алгоритмы бескарданных инерциальных навигационных систем.
Перечислим такие приложения:
• Задача навигации внутритрубных диагностических снарядов.
• Задача навигации дорожной лаборатории, используемой для контроля дорожного покрытия.
• Аэрогравиметрия - бескарданная гравиметрическая системы вТ-Х нового поколения.
8
• Постобработка экспериментальных данных ИНС/БИНС, спутниковых навигационных систем (СПС), системы воздушных сигналов (СПС): наземные, морские, авиационные приложения, в том числе и для комплексов специального назначения.
• Родственные задачи, связанные с калибровкой инерциальиых датчиков на грубых стендах.
Однако, особенность появившихся задач состоит в том. что доступные дешёвые инерциальные датчики достаточно грубы. Например, датчики угловой скорости (ДУС) среднего класса точности — волоконно-оптические гироскопы — имеют погрешности в диапазоне 0.15 - 15°/ч, самые дешёвые микромеханические гироскопы относятся к области низких точностей -- 1.5 - 1500°/** [61|. Данное обстоятельство приводит к новым особенностям комплексной обработки информации, наиболее существенным в режиме постобработки. Это касается так называемого варианта введения обратных корректирующих связей в навигационное счисление, который в отличие от традиционно используемого варианта оценивания ошибок БИНС для достаточно точных навигационных систем с ограниченным временем функционирования, предполагает вмешательство в классические "Шулеровские11 уравнения кисрциалыгай навигации.
Основная идея заключается в том, что использование показаний грубых датчиков достаточно быстро приводит к аномально большим ошибкам навигационного счисления, что, в свою очередь, приводит к тому, что линейная модель уравнений ошибок БИНС становится некорректной. За счёт использования корректирующих обратных связей удаётся этого избежать.
Как следствие, возникает необходимость модификации алгоритмов сглаживания, поскольку сглаживанию уже подлежат не позиционные, скоростные, угловые ошибки навигационного счисления, а непосредственно скорректированные с помощью обраг-
9
- Київ+380960830922