ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Состав и основные функциональные схемы интегрированных систем навигации и наведения беспилотного маневренного летательного аппарата из "Управление и наведение беспилотных маневренных летательных аппаратов на основе современных информационных технологий " Развитие беспилотных ЛА, а также необходимость решения вновь возникающих прикладных задач, связанных с определением параметров движения объектов, выдвигает комплекс новых требований по точности и надежности получения информации о координатах, скорости, ориентации движущихся объектов. Условия применения и функционирования беспилотных маневренных ЛА требуют повышенной точности и высокой частоты навигационных определений на всех этапах их использования, начиная от момента включения бортовых систем или старта аппарата и до окончания выполнения поставленной задачи. [c.25] Обеспечение заданных уровней точности и указанных качественных показателей надежности предъявляет особые требования к современным и перспективным системам навигации беспилотных маневренных ЛА. Как уже указывалось выше в гл. 1, к числу основных современных бортовых систем навигации прежде всего следует отнести инерциальные (ИНС) и спутниковые навигационные системы (СНС). Инерциальные навигационные системы уже давно являются штатным оборудованием на крупных самолетах. Авиационным стандартом для высокоточных ИНС гражданских самолетов считается точность, соот-ветствуюш ая ошибке по координате в 1 морскую милю за час полета (1,8 км/час). Известны также примеры реализации более точных систем, в которых ошибка определения координат не превышает нескольких сот метров за час полета [2.3]. Спутниковые навигационные системы стали активно использоваться в авиационных приложениях лишь в последнее десятилетие и быстро завоевывают место в штатном составе бортового оборудования. Этому способствует, прежде всего, их высокая точность, которая для открытого канала после отмены Правительством США в мае 2000 года кода селективного доступа, S/A составляет 10-15 м (1сг). Опыт эксплуатации СНС показал, что при многих положительных качествах СНС не могут удовлетворить всем предъявляемым сегодня требованиям по качественным характеристикам, перечисленным выше. В таблице 2.1 суммированы основные свойства и недостатки СНС и ИНС. [c.26] Это ограничение снимается в специализированных спутниковых приемниках с тремя и более антеннами. [c.27] Как уже предварительно отмечалось в гл. 1, благодаря различной физической природе и различным принципам формирования навигационного алгоритмического обеспечения, спутниковые и инерциальные навигационные системы хорошо дополняют друг друга. Их совместное использование позволяет, с одной стороны, ограничить рост погрешностей ИНС и, с другой стороны, снизить шумовую составляющую ошибок СНС, повысить темп выдачи информации бортовым потребителям, существенно поднять уровень помехозащищенности. На современном этапе ядром интегрированной системы является ИНС благодаря своей автономности и возможности с высокой скоростью обновления давать потребителю как позиционную, так и угловую информацию. В составе интегрированных инерциально-спутниковых систем, как уже указывалось в гл. 1, чаще всего используются бесплатформенные инерциальные навигационные системы (БИНС). Это объясняется их повышенной надежностью, меньшим весом и габаритами, меньшим потреблением энергии. Отсутствие платформы определяет, как правило, и меньшее время выставки системы — обязательной процедуры первоначального задания (для платформенных ИНС) или определения (для БИНС) ориентации осей чувствительности акселерометров и инициализации координат и скоростей. Эта процедура предшествует переходу ИНС в рабочий режим и во многом определяет время ее готовности к работе (подробно алгоритмы выставки рассматриваются в гл. 4). Таким образом, основной задачей БИНС является обеспечение навигационными параметрами (координаты и высота ЛА, составляющие вектора скорости), а также параметрами ориентации бортовых потребителей в реальном масштабе времени в режиме коррекции от спутниковой навигационной системы. [c.27] В таблице 2.2 приведены данные, характеризующие качества комплексных инерциально-спутниковых систем по сравнению с традиционными бортовыми системами [2.3]. Данные, приведенные в таблице 2.2, базируются на анализе большого числа работ отечественных и зарубежных исследователей и разработчиков в этой области и убедительно говорят о перспективности комплексирования СНС и ИНС. [c.27] Первый вариант — раздельная схема (рис. 2.1) — это наиболее простой вариант совместного использования ИНС и ГЛОНАСС/GPS. [c.28] Здесь обе системы работают независимо друг от друга, но, поскольку ошибки ИНС возрастают со временем, то периодически необходимо проводить коррекцию ИНС по данным СНС. Коррекция заключается в периодическом перезапуске алгоритма ИНС с новыми начальными условиями по координатам и скорости, данные о которых поступают от спутникового приемника. Процедурно это может быть оформлено и как одновременная коррекция координат и скоростей ИНС. Такая архитектура обеспечивает независимость систем (исключая моменты перезапуска или коррекции) и информационную избыточность общей структуры. В целом комплексная система имеет более высокую точность как по координатам и скорости, так и по углам ориентации. При этом сохраняется возможность получать позиционную, скоростную и угловую информацию (в том числе и об угловой скорости), необходимую для целей управления и наведения с высокой частотой, свойственной ИНС. [c.28] Кроме того, для создания такой архитектуры требуются минимальные изменения в аппаратных средствах и программном обеспечении уже существующих ЛА. [c.29] Следующей по глубине связи ИНС и СНС является слабо связанная система. Здесь ИНС и СНС по-прежнему вырабатывают независимые решения, однако появляется связующий блок, в котором так называемый интегральный фильтр Калмана на основании данных ГЛОНАССIGPS приемника формирует оценку вектора состояния, в результате чего производится коррекция данных, полученных от ИНС (рис. 2.2). [c.29] В этой схеме функциональное разделение подсистем может также сопровождаться их физическим разделением приемник СНС, ИНС и вычислитель конструктивно оформляются в виде законченных раздельных блоков, между которыми организованы соответствующие информационные связи, не требующие, как правило, высоких скоростей передачи данных. Разумеется, все три перечисленных компоненты системы могут быть размещены и в едином модуле, если это желательно по условиям функционирования комплекса. [c.29] Таким образом, здесь приемник СНС использует информацию от ИНС только для целей более надежного и быстрого восстановления захвата сигнала в случае его потери. На схеме это отражено связью выходного блока ИНС и ВЧ блока приемника. Передаваемая по этому каналу информация о вычисленных местоположении и скорости в случае потери слежения позволяет рассчитать оценки предполагаемого сдвига кода и доплеровского сдвига частоты несущей, что существенно снижает время поиска и захвата сигнала. В результате значительно снижается время восстановления работы приемника после потери сигнала. [c.30] Показанная на схеме структура ИНС предусматривает возможность компенсации инструментальных ошибок измерительных элементов — гироскопов и акселерометров — по априорным данным (например по паспортным данным системы или по запомненным значениям оценок этих ошибок при предыдущем включении). В результате в основной алгоритм ИНС передаются корректированные показания гироскопов и акселерометров. [c.30] Как уже отмечалось, основу связующего блока образует интегральный фильтр Калмана, который получает информацию о координатах и скорости от СНС и ИНС, образует разности их показаний и на этой основе вычисляет оценки ошибок ИНС, а иногда и оценки ошибок ее чувствительных элементов. Последний факт отражен обратной связью фильтра с блоком компенсации инструментальных погрешностей. [c.30] Другой отличительной особенностью жестко связанной схемы является использование контурами слежения за кодом и доплеровским сдвигом частоты несущей информации о расчетных псевдодальностях и псевдоскоростях (или их приращений), поступающей от фильтра Калмана. Использование этой информации позволяет существенно улучшить устойчивость слежения и снизить время восстановления работы приемника в случае потери сигналов спутников. [c.32] Последний недостаток можно устранить, введя дополнительный (параллельный) фильтр Калмана, предназначенный только для приемника. Такое решение создает некоторый промежуточный вариант между слабо и жестко связанной схемами. [c.32] В таблице 2.3 суммированы основные особенности перечисленных схем комплексных систем. [c.34] Избыточность, ограниченность ошибок оценок местоположения и скорости, наличие информации об ориентации и угловой скорости, высокая скорость выдачи информации, минимальные изменения в бортовой аппаратуре. [c.34] Все перечисленные качества раздельных систем, плюс более быстрое восстановление слежение за кодом и фазой сигналов СНС, выставка и калибровка ВИНС в полете, как следствие — повышенная точность в отсутствие СНС-сиг-нала. [c.34] Дальнейшее улучшение точности и калибровки, повышенная устойчивость слежения за СНС-сигналами при динамических маневрах, повышенная помехозащищенность. [c.34] Достоинства единый фильтр устраняет проблему каскадного включения фильтров, компактность, пониженные требования по энергообеспечению. [c.34] Вернуться к основной статье