• • л* • .* «. > • «•
Содержание
1 Введение 4
1.1 Предметная часть работы ............................................ 4
1.2 Структура работы.................................................... 9
1.3 Содержание задачи тесной интеграции ИНС/БИНС и СНС, обзор
литературы ....................................................... 14
1.4 Основные модели инерциалыюй навигации.............................. 22
1.5 Задача функциональной диагностики платформенной ИНС............... 28
2 Совместная обработка первичных измерений систем GPS и ГЛОНАСС 50
2.1 Введение ......................................................... 50
2.2 Основные отличия систем ГЛОНАСС и GFS..............................50
2.3 Модели первичных спутниковых измерений при совместной обработке . 55
2.4 Алгоритмы совместной обработки измерений ГЛОНАСС и GPS в
стандартном режиме ............................................... 59
2.5 Алгоритмы совместной обработки дифференциальных измерений систем ГЛОНАСС и GPS .......................................... 66
2.6 Пример обработки экспериментальных данных в стандартном режиме 72
2.7 Выводы к главе ................................................... 75
3 Алгоритмы решения задачи тесной интеграции ИНС/БИНС и СНС 76
3.1 Введение.......................................................... 76
3.2 Общие структуры алгоритмов варианта оценивания и введения обратных связей........................................................ 78
3.3 Модели тесной интеграции в варианте оценивания ....................81
3.4 Модели тесной интеграции в варианте введения обратных связей ... 94
3.5 Выводы к главе ...................................................106
4 Моделирование алгоритмов тесной интеграции 108
4.1 Введение .........................................................108
4.2 Имитатор движения объекта ........................................108
4.3 Моделирование пространственного движения спутниковых созвездий
ГЛОНАСС и GPS и первичных измерений спутников этих систем ... 111
4.4 Моделирование рабочего режима тесно интегрированной
инерциально-снутииковой навигационной системы.....................114
4.5 Анализ результатов обработки модельных данных ....................118
2
4.6 Выводы к главо Заключение
1 Введение
1.1 Предметная часть работы
Актуальность темы
В настоящее время н России ведущие компании-разработчики и производители интегрированных навигационных комплексов активно занимаются задачей тесной интеграции инерциальных и спутниковых навигационных систем. Причем эта задача решается как на стадии н ау ч и о- и сел сдо ватсл ьс к и х разработок, так и на стадии опытно-конструкторских работ. К числу таких компаний, в частности, относятся: ОАО Раменское приборостроительное конструкторское бюро (РПКВ), ЗАО Инерциальные технологии технокомплекса (ИТ'Т), Раменский приборный завод, Пермская научно-производственная приборостроительная компании (ПНППК), АООТ Московский институт электромеханики и автоматики (МИЭА), Государственный научно-исследовательский институт авиационных систем (ГосНИИАС), ОАО Концерн ЦНИИ "Электроприбор", ЗАО "Лазекс".
Задача тесной интеграции инерциальных (ИНС) и спутниковых навигационных систем (СНС) возникает при построении перспективных навигационных комплексов, а также для обеспечения функционирования грубых (например, на MEMS-датчиках), резервных ИНС. Отличительная особенность задачи тесной интеграции возможность получения интегрированных решений при малом числе видимых навигационных спутников, когда автономные позиционные и скоростные спутниковые навигационные решения невозможны.
Различают четыре основных уровня интеграции СНС и ИНС (62].
• Раздельные, системы (Separate Systems). При этом способе автономные спутниковые навигационные решения - координаты и скорости объекта обычно просто заменяет соответствующую информацию инерциальной системы.
• Свободно соединенные или слабо связанные системы (Looscly Couplcd Systems). Здесь решается задача коррекции ИНС при помощи позиционных и скоростных автономных решений спутниковой навигационной системы.
• Тесно интегрированные систе.мы (Tightly Coupled Systems). При таком варианте интеграции первичная информация приемника сигналов СНС (кодовые нсевдодальности, доплеровские псевдоскорости, фазовые измерения) используется в качестве корректирующих измерений для ИНС.
• Глубокое интегрирование (Deep Integration), в добавлении к варианту тесной интеграции, предусматривает обратную связь на корреляторы СНС,
что приводит, по сути, к построении нового аппаратного комплекса, чувствительными элементами которого являются как инерциальные датчики - акселерометры, гироскопы, датчики угловой скорости, так и корреляторы СНС.
Первый вариант интеграции в настоящее время редко когда применяется. Второй вариант давно стал стандартным, отработанным способом интеграции инерциальных и спутниковых навигационных систем.
Третий вариант - тесная интеграция ИИС-СНС, как уже отмечалось выше, в настоящее время активно прорабатывается на стадии научно-исследовательских, опытно-конструкторских работ и соответствующего макетирования. Наконец, последний, четвертый вариант - глубокая интеграция - является естественным развитием тесно интегрированных комплексов. Работы в этом направлении в России только разворачиваются в настоящее время.
В добавлении к указанным выше компаниям, разрабатывающих в основном инерциальные датчики и системы, следует добавить российские компании-производители спутниковой навигационной аппаратуры. К их числу, в частности, относятся: Российский институт радионавигации и времени, НИИ космического приборостроения, ОАО МКБ "Компас", КБ "Навис".
Для инерциальных навигационных систем (платформеннных - ИНС, бескарданиых - БИИС) характерны накапливающиеся ошибки при достаточной гладкости решения. Спутниковые навигационные системы дают устойчивое решение, обладающее при этом высокочастотными погрешностями. Цель интеграции --получение навигационного решения, аккумулирующего в себя достоинства обеих систем, а также повышение точности определения углов ориентации объекта.
Диссертационная работа посвящена построению и обоснованию математических моделей и алгоритмов решения задачи тесной интеграции инерциальных навигационных систем (платформенных и бескарданиых) и спутниковых навигационных систем ГЛОНАСС и GPS с учетом особенностей совместной обработки их первичных измерений - кодовых нседодальностей, доилеровских псевдоскоростей и фазовых измерений.
Исследуемая задача известна, ей посвящены многие публикации (1,3,17,19,21-23,34-37,56-63]. Однако в этих публикациях, как правило, не описываются важные для приложений и реализаций математические модели и детали алгоритмов интеграции, а приводятся лишь конечные результаты функционирования интегрированных систем. При этом практически отсутствуют источники, в которых была бы описана четкая алгоритмическая схема, пригодная для написания программного обеспечении. Во многом это связано с тем, что
данное программное обеспечение является либо коммерческой тайной либо интеллектуальной собственностью разработчика программного обеспечения.
Лаборатория управления и навигации МГУ в тесной кооперации с ведущими российскими предприятиями, выпускающими инерциальные датчики и системы, давно занимается прикладными задачами коррекции ИНС при помощи информации, доставляемой иными навигационными датчиками и системами. Разработана и внедрена методика исследования и практического решения интеграционных задач. В диссертационной работе, которая лежит в русле работ лаборатории по навигационный тематике, исследуется актуальная задача тесной интеграции спутниковых систем ГЛОНАСС и GPS с инерциальными навигационными системами разных типов и разных классов точности. Данная работа во многом является продолжением и расширением диссертационной работы к.ф.-м.н. Каршакова Е.В. [27].
В диссертационной работе задача тесной интеграции рассматривается с позиций механики автономных и корректируемых систем инерциальной навигации. А именно [32]:
1. Любая ннерциальная навш-ациониая система, платформенная или бескардаиная, точная или грубая, моделирует в бортовом вычислителе в той или иной форме уравнения движения материальной точки, движущейся в поле силы тяжести под действием внешней силы, доступной измерению в осях приборного трехгранника при помощи ньютонометров (акселерометров). Уравнения движения записываются в осях опорного трехгранника, который либо материализован с помощью гироскопических устройств - случай платформенных ИНС, либо его ориентация определяется при помощи измерений датчиков угловых скоростей (ДУС) - бескарданные ИНС. Это означает, что нет принципиальных различий между модельными уравнениями платформенных и бескарданных ИНС, систол: разных классов точности.
2. Линейные уравнения ошибок ИНС, во многом определяющие модели алгоритмов интеграции, одинаковы (с точностью до перепроектировки инструментальных погрешностей инерциальных датчиков) для ИНС и ВИНС, грубых и точных систем.
3. Принципиально возможны два информационно эквивалентных варианта реализации алгоритмов интеграции.
• Первый вариант — ннерциальная система достаточно точная — состоит в использовании так называемого варианта оценивания ошибок ИНС.
6
Согласно этому подходу позиционные, скоростные, угловые ошибки ИНС оцениваются при помощи первичных спутниковых измерений алгоритмом калмановского типа. Далее оцененные ошибки ИНС алгебраически компенсируются в выходной информации этой системы. При этом не осуществляется модификация бортовых модельных уравнений инерциальной навигации.
• Второй способ — чувствительные элементы ИНС грубы — состоит в реализации интеграционных алгоритмов в так называемом варианте введения обратных (корректирующих) связей в бортовые алгоритмы инерциальной навигации с целью парирования в реальном времени позиционных, скоростных, угловых ошибок ИНС и ’’удержания" последних в линейной зоне. Алгоритмически это представляют собой дополнительные корректирующие сигналы в правых частях соответствующих кинематических, динамических модельных уравнений инерциальной навигации, в сигналах горизонтирования реальной или виртуальной (в случае БИНС) гироплатформы. При этом структура корректирующих поправок также базируется на алгоритмах обработки калмановского типа.
Выше сказанное означает, что построение и обоснование интеграционных алгоритмов возможно без привязки к конкретному типу навигационной системы, ее классу точности. Это является основной целью диссертационной работы, в которой детально описываются следующие аспекты задачи:
• математические модели и алгоритмы совместной обработки измерений спутниковых систем ГЛОНАСС и GPS с учетом особенностей этих систем;
• алгоритмы тесной интеграции ИПС-СНС с учетом особенностей функционирования платформенных и бескарданных инерциальных навигационных систем;
• алгоритмы тесной интеграции ИНС-СНС в варианте оценивания и варианте обратных связей;
• обоснование границы применимости варианта оценивания либо варианта обратных связей для интегрированных навигационных систем разных классов точности;
7
• моделирование' и тестирование алгоритмов тесной интеграции с использованием имитатора движения объекта и систем спутниковой навигации, в том числе, с привлечением экспериментальных данных.
Кроме того, в диссертационной работе проведено детальное исследование задачи функциональной диагностики платформенной ИНС, в процессе решения которой продемонстрированы алгоритмы решения коррекционной задачи в варианте оценивания. Данная задача предваряла исследования автора в области интегрированных навигационных систем.
Научная новизна
1. В диссертационной работе разработаны, обоснованы, с единых теоретических позиций систематизированы математические модели и алгоритмы решения задачи тесной интеграции инерциалыгмх и спутниковых навигационных систем для основных постановок задач тесной интеграции:
• задачи тесной интеграции платформенных инерциальных навигационных систем;
• задачи тесной интеграции бескардаиных инерциальных навигационных систем;
• задачи тесной интеграции инерциальных навигационных систем разных классов точности, которые функционально решаются либо в варианте оценивания, либо в информационно эквивалентном варианте введения обратных связей;
• задачи тесной интеграции с учетом особенностей совместной обработки первичных спутниковых измерений систем ГЛОНАСС и GPS.
2. Получены, обоснованы, подробно описаны дискретные модели алгоритмов тесной интеграции, которые необходимы для бортового программирования.
3. Проведены исследования по определению границы применимости алгоритмов тесной интеграции в варианте оценивания в зависимости от класса точности инерциалыюй системы и времени ее автономного функционирования. Даны соответствующие практические рекомендации.
4. Решена задача функциональной диагностики платформенной ИНС как задача коррекции ИНС в варианте оценивания. Разработанные алгоритмы позволяют выявлять аномально функционирующие инерциальные датчики ИНС -акселерометры и/или гироскопы.
8
Практическая значимость
Материалы диссертационной работы составляет основу программного математического, бортового обеспечения задачи тесной интеграции спутниковых навигационных систем ГЛОНАСС и GPS с ИНС/БИНС любого класса точности, их планируется использовать в научно-исследовательских и опытно-конструкторских работах компаний ОАО "РПКБ", ЗАО ИТТ, АООТ "МИЭА", ПНППК, ГосНИАС.
Апробация и публикации
Результаты диссертации докладывались на семинарах ка<|>сдры прикладной механики и управления механико-математического факультета и в Лаборатории управления и навигации МГУ им. М.В. Ломоносова, на международных научно-технических семинарах "Современные технологии в задачах управления, автоматике и обработке информации11(2004, 2005 годы), на международной конференции "UNI VERS АТ-2006", на конференциях молодых ученых "Навигация и управление движением", организованных ЦНИИ "Электроприбор"(2007, 2008 годы), ЦНИИАГ (2009г., 1 место в секции "Инерциальныс навигационные системы и их датчики").
Результаты диссертации были опубликованы в научном журнале, рекомендованном ВАК, "Вестник МГУ"[23].
1.2 Структура работы
Диссертация состоит из 4 глав. Первая глава является вводной и описывает предметную часть данной диссертационной работы, известные модели инерциальной навигации, а также решение задачи функциональной диагностики платформенной инерциальной навигационной системы. В главе представлено содержание задачи тесной интеграции. В ней описаны общие принципы работы спутниковой и инерциальной навигационных систем, приведены основные идеи построения алгоритмов интеграции в вариантах оценивания и введения обратных связей. Содержится обзор литературы но данной тематике, охватывающий как российские, так и зарубежные источники. Основной результат обзора литературы состоит в необходимости использования общих позиций механики автономных и корректируемых систем инерциальной навигации для построения алгоритмов тесной интеграции.
Далее приводится реферативное описание известных моделей инерциальной навигации, которые затем будут использоваться в задаче тесной интеграции. Приведены модельные уравнения движения и набор переменных, который будет использоваться при написании уравнений ошибок для платформенных и бескарданных инерциальных навигационных систем.
Оригинальную часть главы 1 составляет исследование задачи функциональной
9
диагностики платформенной инерциальной навигационной системы ИНС-2000, разработки Раменского приборостроительного конструкторского бюро (РПКБ). Задача в РПКБ имеет условное название "период Шулера" и используо'гся для проверки паспортных калибровочных параметров инерциальных датчиков - акселерометров, датчиков моментов гироскопов. В ранее используемой методике итогом ее решения было заключение лишь о штатном или нештатном функционировании ИНС-2000 в целом. Результатом проведенного исследования этой задачи стала возможность выявление конкретного аномально функционирующего инерциального датчика.
Для качественного анализа контрольной задачи, которая была поставлена как задача оценивания инструментальных погрешностей И НС при значительных угловых эволюциях гироплатформы, была проведена процедура нормализации составных моделей задачи, введен малый параметр, осуществлена редукция задачи но малому параметру. Это позволило обосновано реализовать простые декомпозированные алгоритмы оценивания инструментальных погрешностей инерциальных датчиков ИНС-2000.
Глава 2 посвящена задаче обработки первичных спутниковых измерений -кодовых псевдодалыюстей, доплеровскнх псевдоскоростей, фазовых измерений - при совместном использовании измерений систем GPS и ГЛОНАСС. Цель обработки измерений - определение координат и скорости движения объекта. Материал главы может рассматриваться и как самостоятельный, без привязки к задаче тесной интеграции ИНС-СНС. Однако ее содержание необходимо для последующего описания моделей алгоритмов тесной интеграции ИНС-СНС.
Для замкнутого описания математических моделей задач совместной обработки первичных спутниковых измерений систем GPS и ГЛОНАСС, в главе, в реферативной форме представлены известные модели спутниковой навигации: модели первичных спутниковых измерений, модели эфемеридного обеспечения навигационных спутников, модели частотного разделения радиосигналов и др.
Оригинальную часть главы 2 составляют способы учета основных различий в работе систем GPS и ГЛОНАСС при построении алгоритмов совместной обработки измерений. Часть из них носит технический, вспомогательный характер. Главным, принципиальным моментом совместной обработки является учет расхождения системных шкал времени спутниковых навигационных систем в соответствующих моделях и алгоритмах. Этот вопрос детально исследован в работе, обоснованы соответствующие математические модели алгоритмов. Проведено их тестирование с использованием экспериментальных данных.
В главе также представлены алгоритмы совместной обработки первичных спутниковых измерений в дифференциальном режиме функционирования СНС,
10
разработанные автором.
Глава 3 является основной главой диссертационной работы. В ней выводятся и обосновываются математические модели алгоритмов тесной интеграции инерциальных и спутниковых навигационных систем при совместном использовании измерений GPS и ГЛОНАСС, для разных типов инерциальных систем (платформенных и бескарданных), разных классов их точности (точные, средней точности, грубые), в стандартном и дифференциальном режимах функционирования
снс.
Модели тесной интеграции приводятся как в варианте оценивания, который может быть использован для точных ИНС, так и в варианте введения обратных связей, который с необходимостью должен использоваться для грубых ИНС, а также для ИНС средней точности со значимым временем функционирования.
Модели тесной интеграции представлены как в непрерывной форме, удобной для анализа с методической точки зрения, так и в дискретной форме. Для приложений важно описание дискретной формы алгоритмов тесной интеграции, поскольку именно она определяет численную реализацию этих алгоритмов в бортовом компьютере.
В главе 3 на основе материалов предыдущей главы 2 представлены модели корректирующих измерений для задачи тесной интеграции в стандартном и дифференциальном режимах функционирования СНС при совместном использовании измерений систем GPS и ГЛОНАСС.
В стандартном режиме функционирования СНС для тесной интеграции предложено использовать так называемые первые разности кодовых и доплеровских измерений. Это позволило обойти трудно формализуемую задачу моделирования погрешностей часов спутникового приемника, поскольку первые разности спутниковых измерений не содержат этих погрешностей.
На основе разработанных моделей интеграционных алгоритмов для варианта оценивания, далее в главе 3 приводятся информационно эквивалентные алгоритмы интеграции в варианте введения обратных связей в уравнения инерциальной навигации.
Описываются отличия интеграционных моделей для платформенных и бескарданных МНС. В частности, в случае платформенной ИНС необходимо вводить корректирующие обратные связи в сигналы управления гироплатформой (сигналы горизонтирования и управления ориентацией в азимуте), а в случае БИНС аналогичные поправки входят в алгоритм счисления углов курса, крена и тангажа.
Выводятся дискретные аналоги непрерывных моделей варианта введения обратных связей, которые используются при бортовом программировании алгоритмов. Исследован типовой случай дискретной обработки данных, когда
11
- Киев+380960830922