Скачать статью в формате Word можно здесь
Реферат
Научно-технического проекта: “ Методология создания, разработка и исследование интегрированной супернавигационной системы”
Волжин А. С.
Научно-технический проект содержит 189 страниц текста, включая 49 рисунков, 18 таблиц, 131 формулу (математическое выражение) и 30 наименований источников литературы.
Разработан эффективный метод физической интеграции (МФИ) навигационных систем. Проведён сравнительный анализ и показано большое преимущество МФИ над традиционным методом математической интеграции навигационных систем на основе фильтра Калмана и его модификаций. МФИ имеет большие потенциальные возможности для развития и решения широкого круга прикладных задач навигации, многие их которых решены в данном проекте.
На основе МФИ cпроектирована интегрированная супернавигационная система (ИСС), включающая ИНС, СНП, 11 фильтров физической интеграции (ФФИ), алгоритм поддержки точности, на интервалах неработоспособности СНП, алгоритмы навигации интегрированных каналов и другие алгоритмы. ФФИ не используют ни какой априорной информации по ошибкам ИНС и СНП, поэтому являются унифицированными, и применимы к любым их типам.
ИСС имеет шесть, параллельно работающих, каналов навигации: инерциальный управляемый; штатный спутниковый; спутниковый с самокоррекцией; первый интегрированный; второй интегрированный; третий интегрированный. Второй интегрированный канал используется, если в состав ИСС входят ИНС с дрейфами от 10 до 100 о/ч, а третий канал, с дрейфами от 100 до 300 о/ч. Инерциальный управляемый канал обеспечивает непрерывную выдачу углов ориентации объекта по крену, тангажу и курсу, точность которых не зависит от дрейфа гироскопов. Спутниковый канал с самокоррекцией устраняет систематическую ошибку по скорости СНП и повышает его динамическую точность в определённом диапазоне частот. Интегрированные каналы навигации непрерывно выдают высокоточную интегрированную навигационную информацию по скорости и координатам, точность которой не зависит от дрейфов ИНС и других её погрешностей, а также от отдельных ошибок СНП и выше, чем у СНП.
. На интервалах неработоспособности СНП работают 4 канала навигации, которые переходят из инециально-спутникового режима в режим самокоррекции, сохраняя высокую точность. Изменение ошибок в режиме самокоррекции в определении углов крена, тангажа и курса до 1 угл. мин., изменение ошибки по координатам 3 мна интервале 5 минут и 12 м на интервале до 10 минут, при дрейфах ИНС до 300 о/ч.
В ИСС обеспечивается быстрая готовность ИНС к работе, без предварительной выставки и калибровки дрейфов и без потери точности, осуществляется выставка ИНС в полёте, в том числе в азимуте без манёвра самолёта и решаются другие задачи. Например, в данном проекте приведены результаты решения задачи автономного демпфирования вертикали каждой, из двух физически интегрируемых ИНС между собой, без ограничений на движение объекта, в том числе с ускорением. А также созданы теоретические основы для физической интеграции произвольного числа микромеханических ИИБ между собой и СНП.
ИСС может быть изготовлена, в миниатюрных габаритах, массой около 100 грамм, если в её составе использовать ИНС на основе ИИБ с грубыми микромеханическими гироскопами, с дрейфами, изменяющимися со временем, в том числе по линейному и квадратичному закону, до 300 о/ч.
Составлена комплексная математическая модель работы ИСС в условиях полёта самолёта. Получено аналитическое решение системы интегро-дифференциальных уравнений 11 порядка относительно ошибок вертикали, курса, скорости и координат для пяти каналов навигации ИСС, кроме штатного спутникового канала, По полученным формулам для ошибок, проведён анализ систематической и динамической точности ИСС.
Проведёно математическое моделирование работы ИИС в инерциально-
спутниковом режиме и в режиме самокоррекции, на интервалах неработоспособности СНП.
Выполнено несколько сотен виртуальных полётов самолёта, во всех реализациях ИСС
работала устойчиво и непрерывно выдавала угловую и навигационную самоинтегрированную
информацию. Например, в реализации, в которой ИСС работала до 42 минуты в
инерциально- спутниковом режиме навигации, а затем в течение 10 минут в режиме
самокоррекции (без СНП), инструментальные ошибки ИНС и СНП имели следующие
значения.
Начальные ошибки вертикали ИНС и в азимуте составляли 2.91.∙10-3 рад. Ошибки
горизонтальных акселерометров задавались в сумме трёх составляющих: постоянной
2.∙10-3 м/с2, возрастающей со временем 2.∙10-4 м/с2 за час, и случайных колебаний в
диапазоне ± 2.∙10-4 м/с2.
Дрейфы, азимутального и горизонтальных, гироскопов ИНС задавались в сумме
трёх составляющих: постоянной, 103.1 °/час, возрастающей со временем 5.94 °/час за
час, и случайных колебаний с частотой 1 герц и амплитудой, изменяющейся в
диапазоне ± 4.6 °/час.
Ошибка по скорости СНП задавалась в сумме двух составляющих, постоянной 0.1 м/с
и случайных колебаний с частотой 1 герц, изменяющихся в диапазоне ± 0.24 м/с,
суммарная ошибка достигала 0.34 м/с. Ошибка, по координате СНП, задавалась
в сумме двух составляющих, постоянной, равной1 м и случайных колебаний, в
диапазоне ± 12.5 мс частотой 1 герц, суммарная ошибка достигала13.5 м.
При этом, ошибки второго интегрированного канала в режиме самокоррекции имели
следующие значение: ошибки в определении координат, на начальный момент1.024 м,
через 5 минут 3 м, через10 минут 11.2 м; ошибки по скорости, соответственно, 6.1∙10-4
м/c, 1.5∙10-2 м/c, 5.1∙10-2 м/c; ошибки вертикали -3.2∙10-4 рад, -3.3∙10-4 рад, -3.5∙10-4 рад;
ошибки по курсу 2.907∙10-3 рад, 2.894∙10-3 рад, 2.880∙10-3 рад.
На основе МФИ и первых 6 версий алгоритмов ФФИ были созданы по проекту автора в ГосНИИАС, с1999 г. по2004 г., когда я там работал, экспериментальные и опытные образцы интегрированных инерциально-спутниковых навигационных систем ИСНС-1, 2, 3, 4, 5А, 5Б и ИСНС-6, а также экспериментальный образец самоинтегрированной автономной ИНС СИНС-1. Указанные образцы ИСНС-1÷6 и СИНС-1 были построены на базе отечественных систем: ИНС И-21 и БИНС-АК; СНП СН-3704,СН-3700, К-161 и американского СНП GG24.
Результаты лабораторных и лётных исследований, восьми интегрированных систем,
построенных на основе МФИ, показали его высокую эффективность, постоянную
устойчивость работы ФФИ в инерциально-спутниковом режиме навигации и режиме
самокоррекции, непрерывность выдачи точной навигационной и угловой информации на
интервалах неработоспособности СНП.
Таким образом, все основные элементы, заложенные в проекте на создание ИСС,
проверены в лабораторных и лётных экспериментах, поэтому не должно быть ни каких
сомнений в её изготовлении с характеристиками, полученными при моделировании в
многочисленных виртуальных полётах самолёта. В ИСС, в отличие от указанных ИСНС,
использованы более совершенные версии алгоритмов ФФИ, с целью повышения точности,
прежде всего, в режиме самокоррекции.
Разработанная методология позволяет создавать ИСС, в том числе в виде
интегрированных СНП, в составе которых используется ИНС, с дрейфами до 300 °/час, со
следующими характеристиками (σ):
- ошибки в инерциально-спутниковом режиме навигации, горизонтальном полёте самолёта:
в определении горизонтальных координат1 м;
в определении горизонтальных скоростей 0.02 м/c;
в определении крена и тангажа определяется ошибкой акселерометра в составе ИНС и может
составлять в пределах 1 угл. мин;
в определении курса определяется ошибкой привязки в азимуте измерительных осей ИНС
относительно продольной оси объекта;
- изменение ошибок в режиме самокоррекции, на интервалах неработоспособности СНП:
в определении горизонтальных координат3 мза 5 минут,12 мза 10 минут;
в определении горизонтальных скоростей 0.015 м/c за 5 минут 0.05 м/c за 10 минут;
в определении кркена, тангажа и курса 1 угл. мин. За 10 минут;
- минимальная масса в пределах 100 грамм/
Сроки изготовления ИСС, при использовании ИНС и СНП, при моём научно-техническом сопровождении, сравнительно малые. Например, каждая из, указанных выше систем, ИСНС-1 ÷ ИСНС-6 были изготовлены за 8-10 месяцев группой из 5 человек, включая меня. Себестоимость изготовления ИСС не более 5000 долларов, во много раз ниже, чем современных интегрированных систем на базе стандартных, с более высокой массой и сравнительно низкой точностью ИНС, стоимость которых от 100 до 200 тысяч долларов. При массовом серийном производстве ИСС экономический эффект может составить десятки миллиардов рублей в год.
ИСС может использоваться на всех типах летательных аппаратов и морских кораблей, в транспортных средствах, передвигающихся по земле и воде, в робототехнике и других специализированных объектах.
С содержанием научно-технического проекта и другими работами автора можно ознакомиться на сайте: Volzhin-Anatoliy.ru
Электронный адрес: volzhin15@mail.ru
Содержание
Список принятых обозначений………………………………………………6
Введение………………………………………………………………………7
1. Критерии повышения точности ИНС в составе ИСС и
сравнительный анализ методов интеграции навигационных систем……13
1.1 Технологический критерий повышения точности ИНС………………13
1.2 Математический критерий повышения точности ИНС………………14
1.3 Физический критерий повышения точности ИНС……………………15
1.4 Сравнительный анализ методов интеграции
навигационных систем……………………………………………………..18
1.5 Прикладные задачи навигации, решаемые ИСС на основе МФИ……19
2. Описание состава, структуры и принципа работы ИСС………………21
2.1 Описание структурной схемы ИСС и функций,
выполняемых каждым ФФИ………………………………………………..22
2.2 Описание структурной схемы и алгоритма фильтра
интегрированных каналов ФФИ-1…………………………………………26
2.3 Описание структурной схемы и алгоритма фильтра
спутникового канала с самокоррекцией ФФИ-2 ……………………….30
2.4 Описание структурной схемы и алгоритма фильтра инерциального
управляемого канала ФФИ-3………………………………………………33
2.5 Описание структурной схемы и алгоритма фильтра
курсового канала ФФИ-4…………………………………………………..36
3. Исследование характеристик и анализ точности ИСС в
инерциально-спутниковом режиме навигации…………………………..37
3.1 Результаты аналитического решения математической модели
ИСС в инерциально-спутниковом режиме и анализ
систематической точности…………………………………………………38
3.1.1 Ошибка вертикали ИНС………………………………………………38
3.1.2 Ошибка по скорости инерциального управляемого
канала навигации …………………………………………………………..40
3.1.3 Ошибка по координате инерциального управляемого канала навигации…………………………………………………………………………………………41
3.1.4 Ошибки по скорости и координате спутникового канала
навигации с самокоррекцией………………………………………………42
3.1.5 Ошибка по скорости первого интегрированного канала навигации……………………………………………………………………43
3.1.6 Ошибка по координате первого интегрированного канала навигации……………………………………………………………………45
3.1.7 Ошибка по скорости второго интегрированного канала навигации……………………………………………………………………46
3.1.8 Ошибка по координате второго интегрированного канала навигации……………………………………………………………………47
3.1.9 Ошибка по скорости третьего интегрированного канала навигации………………………………………………………………………………………..48
3.1.10 Ошибка по координате третьего интегрированного канала навигации…………………………………………………………………………………………50
3.1.11 Ошибка определения курса…………………………………………51
3.2 Анализ динамической точности работы ИСС в
инерциально-спутниковом режиме………………………………………53
3.2.1 Ошибки ИСС во время переходного процесса…………………….54
3. 2. 2 Анализ влияния динамической ошибки акселерометра
на точность ИСС…………………………………………………………..59
3. 2. 3 Анализ влияния динамического дрейфа горизонтального
канала ИНС на точность ИСС……………………………………………64
3. 2. 4 Анализ влияния динамической ошибки по скорости СНП
на точность ИСС…………………………………………………………..68
3. 2. 5 Анализ влияния динамической ошибки по координате СНП
на точность ИСС……………………………………………………………74
3.2.6 Анализ влияния динамических ошибок СНП на точность
спутникового канала с самокоррекцией…………………………………80
4. Исследование характеристик и анализ точности ИСС в режиме
самокоррекции …………………………………………………………….82
5. Обоснование характеристик ИСС на примерах лабораторных и
лётных экспериментов её предшественников……………………………87
5.1 Интегрированные системы, созданные на основе метода
Физической интеграции…………………………………………………..88
5.1.1 Интегрированная система ИСНС-1…………………………………88
5.1.2 Интегрированная система ИСНС-2…………………………………90
5.1.3 Интегрированная система ИСНС-3…………………………………92
5.1.4 Интегрированная система ИСНС-4…………………………………93
5.1.5 Интегрированная система ИСНС-5А……………………………….95
5.1.6 Интегрированная система ИСНС-5Б………………………………..97
5.1.7 Самоинтегрированная система СИНС-1……………………………98
5.1.8 Интегрированная система ИСНС-6………………………………..100
5.2 Комплекс полунатурного моделирования и отработки
программно-математического обеспечения ИСНС…………………….101
5.2.1 Описание КПМ ИСНС…………………………………………… 101
5.2.2 Методика полунатурного моделирования ИСНС……………… 104
5.3 Измерение методической ошибки ИСНС на КПМ…………………108
5.4 Результаты исследования на КПМ влияния систематических
ошибок СНП на точность интегрированного канала навигации………112
5.5 Результаты исследования на стенде КПМ влияния угловых
колебаний объекта на точность СНП и интегрированного канала
навигации ИСНС-4………………………………………………………117
5.6 Исследование точности интегрированной угловой
информации системы ИСНС-5Б на КПМ………………………………122
5.7 Исследование точности ИСНС в инерциально-спутниковом
режиме навигации по результатам лабораторных и лётных экспериментов……………………………………………………………128
5.7.1 Исследование точности ИСНС-3, 4 в инерциально-
спутниковом режиме навигации на КПМ……………………………..128
5.7.2 Исследование точности ИСНС-3, 4 в инерциально-
спутниковом режиме навигации по результатам полётов самолёта…134
5.7.3 Методика и алгоритмы оценки динамической точности
интегрированного канала навигации ИСНС по результатам
полётов самолёта…………………………………………………………137
5.8 Исследование точности ИСНС в режиме самокоррекции
по результатам лабораторных и лётных экспериментов………………140
5.8.1 Исследование точности ИСНС-3, 4 в режиме
самокоррекции на КПМ…………………………………………………141
5.8.2 Исследование точности ИСНС-3, 4 в режиме самокоррекции
по результатам полётов самолёта………………………………………152
5.8.2.1 Исследование точности ИСНС в режиме самокоррекции
по результатам моделируемых полётов самолёта…………………….152
5.8.2.2 Исследование точности ИСНС-3, 4 в режиме самокоррекции
по результатам реальных полётов самолёта………………………… 156
6. Результаты исследований самоинтегрированной
системы СИНС-1………………………………………………………………………..161
7. Решение перспективных задач навигации на основе МФИ……….165
7.1 Физическая интеграция произвольного числа ИНС
на основе ИИБ…………………………………………………………..165
7.2 Автономное демпфирование колебаний вертикали каждой
ИНС при их физической интеграции между собой…………………..173
Заключение………………………………………………………………178
Список литературы……………………………………………………..185
Список принятых обозначений
АН – алгоритм навигации.
АПТ – алгоритм поддержки точности.
ИИБ – инерциальный измерительный блок.
ИНС – инерциальная навигационная система.
ИСНС – инерциально-спутниковая навигационная система.
ИСС – интегрированная супернавигационная система.
КПМ – комплекс полунатурного моделирования.
ММИ – метод математической интеграции.
МФИ – метод физической интеграции.
НС – навигационная система.
ООЗ – орбитальная обкатка Земли.
ПМО – программно-математическое обеспечение.
СВЗ – суточное вращение Земли.
СКО – среднеквадратическая ошибка.
СНП – спутниковый навигационный приёмник.
ФФИ – фильтр физической интеграции.