ИЗВЕСТИЯ РАИ. ТЕОРИЯ И СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ, 2008, № 2, с. 154-167
НАВИГАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
УДК 629.197:62.50
АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КОМПЛЕКТИРОВАННЫХ
НАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ
© 2008 г. В. А. Погорелов, С. В. Соколов
Ростов-на-Дону, Ростовский военный ин-т Ракетных войск, Ростовский государственный ун-т путей сообщения Поступила в редакцию 06.03.07 г., после доработки 17.10.07 г.
Рассмотрена методика синтеза комплексированных навигационных систем с различным составом измерительного комплекса. Приведены примеры синтеза стохастических моделей вектора состояния многоструктурной навигационной системы. Предложен новый метод управления выбором структур оценивания навигационных переменных на основе использования нелинейных вероятностных критериев.
Введение. Постоянное повышение требований к точности современных систем управления подвижными объектами (ПО) предопределило использование в составе их информационно-измерительных средств комплексированной системы навигации, содержащей бесплатформенную инерциальную навигационную систему (БИНС), корреляционно-экстремальную систему навигации (КЭСН) и систему самонаведения [1-3].
Характер применения подобной комплексированной системы навигации, как правило, следующий: на начальном участке движения, когда ошибки определения навигационных параметров еще не достигают критических величин, задей-ствуется БИНС. Далее, в зависимости от назначения ПО и времени его движения, показания БИНС уточняются системой коррекции и (или) самонаведения. (Данный принцип реализован в крылатых ракетах АТАКМС, ЛвМ-137 и др. В этих ракетах для коррекции показаний БИНС на маршруте движения привлекается КЭСН, а для самонаведения - инфракрасные или радиолокационные головки [1-5].)
Но длительное использование показаний БИНС приводит к накоплению ошибок определения параметров движения ПО [6]. Данная проблема усугубляется еще и тем, что из-за ограниченных массогабаритных показателей и высокой стоимости в большинстве высокоточных навигационных систем (НС) оказывается затруднительным применение гиростабилизированной платформы, уменьшающей потребный диапазон измерений чувствительных элементов (ЧЭ). Включение в состав НС ПО БИНС также сопряжено с рядом проблем, основными из которых являются: автономное определение начальной ориентации, создание высокоточных ЧЭ, имеющих широкий диапазон измерений, и необходимость использования быстродействующих бортовых ЭВМ, обеспечивающих вычислительную
реализацию современных алгоритмов навигации. Несмотря на прогресс, достигнутый в последние годы в области конструирования БИНС и создания их серийных образцов (БИНС-500, БИНС-1000, ТОТЕМ-100, ТОТЕМ-300, ЬК-100, ЬК-200 и др.), перечисленные проблемы в полной мере решить не удается [7, 8].
При использовании КЭСН основной проблемой остается невозможность их применения в течение всего времени полета. Это в свою очередь обусловлено необходимостью анализа эталонных карт большой размерности и соответственно неизбежным длительным поиском экстремума выбранного функционала качества, в результате чего полученные координаты ПО устаревают. Кроме того, при движении над протяженными тундровыми, степными и пустынными территориями с участками относительно ровной поверхности, а также над акваторией морей и океанов трудно найти зоны коррекции, имеющие требуемые идентификационные характеристики. Более того, при применении КЭСН возникает необходимость сохранения объектом постоянной угловой ориентации в течение всего времени съема внешней навигационной информации. Очевидно, что в процессе полета в силу возмущений различной природы не удается точно выдержать заданную пространственную ориентацию объекта по тангажу, рысканию и вращению [9].
И наконец, при активизации систем самонаведения на конечном участке движения объекта также возникают существенные трудности, самые серьезные из которых [2, 10]:
- априорная неопределенность в информации об объектах распознавания и "сцене" в целом (неточность определения координат объектов, изменчивость двумерных полей и т.д.);
- присутствие так называемых изоморфных преобразований (искажений) текущего изображения (изменение общего уровня яркости и масштаба, сдвиг и поворот изображения относительно всех трех ортогональных осей и т.д.), приводящих к его пространственно-временной трансформации;
- наличие помех естественного и искусственного происхождения, включая полное или частичное затенение (загораживание) объектов или "сцены" в целом и т.д.
Анализ проблем, связанных с комплексиро-ванной НС, будет неполным без рассмотрения принципов обработки информации в каждой из подсистем, ориентированных на борьбу с вышеперечисленными возмущающими факторами и оказывающих определяющее влияние на построение алгоритма навигации ПО в целом. На сегодняшний день в комплексированных НС находят применение стохастические методы обработки информации, базирующиеся на различных способах аппроксимации решения уравнения Страто-новича [11], наиболее известным из которых является метод, основанный на его гауссовской аппроксимации.
В КЭСН получение информации о текущих координатах ПО опирается на знание корреляционной зависимости между эталонными картами местности и наблюдаемыми. При этом использование существующих типов КЭСН в отличие от БИНС не предполагает синтеза уравнений динамики ПО и учета особенностей его движения [1, 9], что существенно ограничивает их потенциальные возможности. В существующих системах самонаведения весьма проблематично применение современных методов стохастической фильтрации из-за сложности синтеза их моделей в форме Ланжевена. В НС перспективных ПО предполагается лишь задействование стохастических геометрических методов, не требующих знания ни уравнений динамики, ни коэффициентов корреляции.
Таким образом, разнородность и несовершенство информационных процессов в различных подсистемах комплексированной НС ограничивает синтез алгоритмов навигации ПО на основе единых принципов помехоустойчивой оценки измерительной информации. Более того, упомянутое различие в методах обработки информации в принципе не позволяет обеспечить рациональное сочетание (комплексирование, чередование) вышеназванных навигационных структур, а следовательно, получить максимально точные (оптимальные) оценки текущих навигационных параметров на всем интервале времени движения ПО.
В связи с этим, цель статьи - анализ путей решения проблем синтеза универсальных помехоустой-
чивых навигационных алгоритмов комплексированной НС на основе единых принципов обработки измерительной информации в каждой навигационной структуре и оптимального управления оценками вектора состояния комплексированной НС в условиях действия вышеупомянутых возмущающих факторов. Для оптимизации процессов обработки измерительной информации в комплексированных НС необходимо, во-первых, синтезировать все алгоритмы навигации ПО на основе единых принципов теории помехоустойчивого оценивания измерений, во-вторых, иметь возможность использования на каждом из характерных участков движения нескольких стохастических моделей комплексированной НС (отличающихся, в частности, составом ЧЭ, сложностью, размерностью и т.д., а следовательно, и эффективностью их использования в различных условиях функционирования объекта) и, в-третьих, решить проблему выбора оптимальной по точности модели из всех возможных на данном участке движения.
Анализ работ [1-24] позволяет представить решение рассматриваемой проблемы в виде структурной схемы (см. рисунок), на которой показаны варианты описания и комплексирования информационных сигналов измерителей НС, определяющие основные этапы решения проблемы оптимизации информационных процессов в НС. Для упрощения дальнейших рассуждений на схеме выделены лишь наиболее часто применяемые в современных НС приборы: шесть пространственно распределенных акселерометров (три из них - в центре масс (ЦМ) ПО), три датчика угловой скорости (ДУС), три датчика доплеров-ских скоростей (ДДС), высотомер, КЭСН и оптическая система пассивной навигации. Решение исследуемой проблемы будем осуществлять в два этапа - сначала рассмотрим общие принципы синтеза стохастических моделей комплексированной НС и их оценок, а затем - методы управления ими.
1. Синтез навигационных структур комплексированной НС. Методику синтеза моделей НС и их оценок в свою очередь представим в виде последовательной четырехшаговой процедуры, каждый из шагов которой рассмотрим подробно.
На первом шаге проводится выбор кинематических параметров, описывающих различные субвекторы состояния комплексированной НС (параметры углового движения ПО относительно ЦМ, географические координаты ЦМ ПО и т.д.). Преимущества и недостатки существующих способов представления кинематических параметров можно найти в многочисленных работах, в том числе в [6, 24]. Учитывая это, отметим лишь некоторые
Алгоритм формирования "банка" фильтров
практические аспекты применения различных ки- ваемой проблемой и дальнейшей реализацией ал-нематических параметров, связанные с рассматри- горитмов нелинейного оценивания состояния НС.
Использование параметров Родрига-Гамиль-тона
XI 0 -ю X -юУ -ю X Х1
Х2 _ 1 ю X 0 ю2 -юУ Х2
Хз _ 2- юУ - ю2 0 ю X Хз
Х4 ю2 юУ -ю X 0 Х4
где X = IV Х2, V Vх - вектор параметров Родрига-Гамильтона, юг, г = X, У, 2 - проекции вектора угловой скорости ю ПО, и направляющих косинусов
В _ ВЕ(ю),
ьп Ь12 Ь13
где В = Ь21 Ь22 Ь23 , Ьу - г/'-й элемент матрицы В,
Ьз1 Ь32 Ьзз
г,/ = 1, 3, Е(ю) =
0 -ю2 юУ ю2 0 -юх -юУ юх 0
позволяет получить уравнения полного вектора состояния комплексированной НС (см. далее) в форме, "близкой" к линейной, что существенно упрощает последующую процедуру синтеза уравнений нелинейного оценивания. В то же время синтезированные с помощью матриц направляющих косинусов и параметров Родрига-Гамильто-на векторы состояния комплексированной НС (а следовательно, и соответствующие фильтры) имеют высокую размерность. Очевидно, что данное обстоятельство на сегодняшний день ограничивает возможность привлечения вышеупомянутых кинематических параметров. Но, с другой стороны, известный прогресс в о
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.