ИЗВЕСТИЯ РАИ. ТЕОРИЯ И СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ, 2008, № 3, с. 164-176
НАВИГАЦИОННЫЕ ^^^^^^^^^^^^^^ СИСТЕМЫ
УДК 629.7.05
БЕСПЛАТФОРМЕННЫЕ ИНС ДЛЯ ВЫСОКОТОЧНОЙ ОКОЛОЗЕМНОЙ НАВИГАЦИИ И СПУТНИКОВОЙ ГЕОДЕЗИИ: АНАЛИЗ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ И ПОГРЕШНОСТЕЙ
© 2008 г. Л. А. Фокин, А. Г. Щипицын
Челябинск, Южно-Уральский государственный ун-т Поступила в редакцию 30.01.07 г., после доработки 07.08.07 г.
Описываются особенности решения задач околоземной инерциальной навигации в тех приложениях, где требуется точность геодезического класса, выявляется связь задач автономной инерциальной навигации и спутниковой гравиметрии, их комплементарность и противоречивость, анализируется навигационное обеспечение современных проектов спутниковой геодезии. Рассмотрена архитектура точной бесплатформенной инерциальной навигационной системы, предложена математическая модель ее функционирования с учетом погрешностей. Уравнения погрешностей получены в общем, нелинейном виде. Особенностями построенной модели являются учет вариаций скорости собственного вращения Земли, прецессии и нутации оси вращения, нестационарности гравитационного поля Земли, гравитационного влияния Солнца, Луны, планет, а также учет приливных, тектонических, сезонных движений навигационной системы координат, начало которой совмещено с пунктом на поверхности упругой Земли, относительно геоцентрической системы координат, связанной с Землей.
Введение. Точность инерциальных навигационных систем (ИНС) зависит от множества факторов, главными из которых являются точности инерциальных приборов, регистрирующих кажущееся ускорение и угловую скорость, априорного знания характеристик внешней среды - гравитационного поля и вращения Земли и идентификации начальных условий движения - выставки [1-6]. ИНС используются на борту космических аппаратов (КА) в рамках интегрированных навигационных систем ориентации - стабилизации, определения параметров траектории (орбиты), систем управления. Интегрированные навигационные системы строятся на основе ИНС, многоантенных приемников спутниковых навигационных систем, звездных и солнечных датчиков (в том числе звездных камер или компасов, использующих цифровые карты звездного неба), датчиков горизонта (на приемниках естественного или искусственного излучения), магнитного поля, телевизионных датчиков слежения [5, 7-11]. Практика определения параметров траектории посредством ИНС распространяется в основном на активные КА - ракеты, разгонные блоки, универсальные космические платформы, где применяются интегрирующие гироскопы, компенсационные маятниковые акселерометры с точностью 10-4-10-5^ и поплавковые, волоконно-оптические либо кольцевые лазерные гироскопы (датчики угловой скорости) с дрейфом 10-1-10-2 град/ч [5, 7, 8]. Орбиты спутников рассчитываются с привлечением внешнетраекторных измерений наземных станций слежения и в последнее время - спутниковых навигационных систем [12,
13]. В системах ориентации спутников используются поплавковые, кольцевые лазерные и динамически настраиваемые гироскопы [7]. Точность упомянутых акселерометров и гироскопов приемлема для многих задач, решаемых в условиях околоземного космического пространства. Однако для ряда научных задач - в спутниковой геодезии, системах дистанционного зондирования Земли, тестах по проверке физических теорий - точность этих датчиков является не достаточной для автономной навигации на интервале между коррекциями от внешних систем или внешнетраекторными измерениями. На протяжении последнего десятилетия сформировалась практика применения точных электростатических акселерометров и гироскопов для навигации и решения передовых научных задач в рамках космических проектов [14-16]. Характерные особенности этих приборов отвечают скорее научно-исследовательским, а не прикладным задачам. Типичными их чертами выступают очень высокое разрешение (до 10-14# для акселерометров фирмы ОКЕИЛ (Франция)), малый диапазон измерения (±10-6^), узкая полоса пропускания (0.1-100 мГц), относительно большая масса (от нескольких кг) и габариты (от нескольких дм3), невысокая надежность, чувствительность к перегрузкам, необходимость высокоточного термоста-тирования, значительная стоимость [14, 15]. Дрейф электростатических гироскопов (ЭГ) в бесплатформенной инерциальной системе (БИС) ориентации БИС-ЭГ, разработанной ЦНИИ "Электроприбор" (Россия), составляет до 10-3-10-4 град/ч [7, 16]. Для измерения малых ускорений, в частности на бор-
БЕСПЛАТФОРМЕННЫЕ ИНС ДЛЯ ВЫСОКОТОЧНОЙ ОКОЛОЗЕМНОЙ НАВИГАЦИИ 165 БИИ Навигационный вычислитель
Акселерометры
J3T ч_У
Гироскопы
A
w
Диагностика отказов датчиков
Дискретизация/ сглаживание
Компенсация перекрестного влияния/ отклонения измерительных осей
Модель внешней среды
We We
Ai
W,
Компенсация разнесения акселерометров
Модель погрешностей датчиков
G A2
«2,
Модель навигационной задачи
Вычисление движения полюса объекта
Вычисление параметров орбиты
R, V,
Q, i, ...
C
D
Датчики температуры, радиации и др.
Солнечный/ звездный датчик, приемник СНС и др.
Внешние системы выставки/коррекции
Рис. 1. Структура и функции БИНС КА.
ту Международной комической станции, используются акселерометры MAMS, а также менее точные конвекционные (DACON) и кварцевые акселерометры.
Совершенствование инерциальных датчиков в части точности, диапазона измерения и полосы пропускания и переход некоторых приборов из ниши научных и экспериментальных в класс навигационных служат предпосылкой к более широкому распространению ИНС, в частности бесплатформенных инерциальных навигационных систем (БИНС), как наиболее перспективных на спутниках. В то же время развитие датчиков предъявляет новые требования к полноте и точности априорной информации: моделям гравитационного поля, вращения Земли, деформаций геоида, если движение КА рассматривается относительно системы координат (СК), связанной с пунктом на поверхности Земли. В работе анализируются соответствующие добавочные члены в уравнениях инерциальной навигации.
Работы в области инерциальной навигации в основном имеют дело с погрешностями БИНС первого порядка малости [1-7, 10, 11, 17, 18]. Это объясняется предположением о том, что члены высших порядков малости в уравнениях погрешностей не вносят значимого вклада в результирующую погрешность либо они меньше, чем неопределенности, возникающие при оценке погрешностей с использованием информации от внешних корректирующих систем. В некоторых случаях эти малые члены замещаются шумовой составляющей [17]. Разработанная здесь модель погрешностей вклю-
чает члены высших порядков малости и является, таким образом, основой для анализа малых составляющих погрешности. Нелинейные модели погрешностей БИНС рассмотрены также в [19, 20].
1. Особенности навигации БИНС в околоземном пространстве. Решение задачи навигации КА в околоземном пространстве в общем случае подразумевает определение координат, скорости и ориентации относительно навигационной СК - геоцентрической, географической или геодезической [1, 5, 7, 8, 12, 18]. Используется также стартовая СК, не участвующая во вращении Земли [5]. БИНС без коррекции от внешних систем обеспечивает точные навигационные определения на небольшом интервале времени.
БИНС представляет собой блок инерциальной информации (БИИ), жестко закрепленный на объекте, и вычислитель (рис. 1). Достоинства и недостатки БИНС по сравнению с платформенными ИНС известны, определяются меньшими массога-баритными показателями и энергопотреблением БИНС, меньшей стоимостью разработки, развертывания, сервиса, большей надежностью, однако повышенными требованиями к точности и полосе пропускания датчиков. БИНС использует информацию следующих типов [2-4, 21, 22].
Измерительная либо инерциалъная информация: кажущееся ускорение А, измеряемое акселерометрами, абсолютная угловая скорость ю, получаемая гироскопами. Векторы Аь А2 и ю2 на рис. 1 отражают результаты промежуточных стадий обработки информации.
Априорная информация: модель гравитационного поля Земли (вектор гравитационного ускорения О), если необходимо, Луны, Солнца, планет, а также изменения гравитационного поля вследствие океанических приливов, приливных деформаций геоида в системе Земля-Луна-Солнце; кинематическая модель движения Солнечной системы; модель
вращения Земли (скорость се и ускорение со е), модель движения навигационной СК [23-27].
Начальные условия, определенные в ходе выставки (вектор Б измерительной информации от внешних систем для выставки/коррекции БИНС). Выставка представляет собой определение начальных координат, скорости и ориентации БИНС при известных ограничениях на движение.
БИНС вырабатывает радиус-вектор К, скорость V объекта относительно навигационной СК, матрицу направляющих косинусов С или некоторые другие навигационные переменные: широту, долготу, локальную высоту (ф, X, К), Кеплеровы элементы (р, е, г, О, ю, т). Если учитывается изменение расположения БИНС относительно объектной СК вследствие термических, упругих деформаций конструкции или зависимость погрешностей от температуры, то измерительная система дополняется датчиками температуры, деформации (измерения Т) для расчета коэффициентов модели погрешностей. Многие авторы обращают внимание на релятивистские аспекты геодезических и навигационных определений в околоземном пространстве и связанные с этим погрешности [23, 28, 29].
2. Навигационные определения в космической геодезии. В ходе определения орбит геодезических спутников, где требуются точности ~0.01-10 м, используются внешнетраекторные измерения наземных станций слежения, дополненные данными спутниковых навигационных систем [12, 13, 22, 23, 27, 30, 31]. Однако прогресс последних двух десятилетий в области инерциальных приборов с электростатическим подвесом и приборов, использующих конденсат Бозе-Эйнштейна, позволяют надеяться на применение БИНС в составе интегрированных навигационных систем КА в тех областях, где требуются точности геодезического класса. При наличии высокоточных инерциальных датчиков и высокой точности априорной информации и выставки математические модели БИНС должны быть усовершенствова
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.