научная статья по теме МНОГОСТРУКТУРНОЕ ОЦЕНИВАНИЕ КОМПЛЕКСИРОВАННОЙ НАВИГАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ МНОГОРАЗОВОГО КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА Космические исследования

Текст научной статьи на тему «МНОГОСТРУКТУРНОЕ ОЦЕНИВАНИЕ КОМПЛЕКСИРОВАННОЙ НАВИГАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ МНОГОРАЗОВОГО КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА»

КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2008, том 46, № 3, с. 243-248

УДК 531.383

МНОГОСТРУКТУРНОЕ ОЦЕНИВАНИЕ КОМПЛЕКТИРОВАННОЙ НАВИГАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ МНОГОРАЗОВОГО КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА

© 2008 г. В.А. Погорелов

Ростовский военный институт Ракетных войск Поступила в редакцию 21.03.2006 г.

Рассмотрен подход к синтезу комплектованной навигационной системы многоразового космического аппарата, совершающего произвольный пространственный маневр в условиях действия внутренних и внешних возмущений. Предложенный подход обеспечивает помехоустойчивое решение задачи навигации, как в штатном режиме движения космического аппарата, так и при его спуске по не запланированной траектории.

PACS: 95.10.Eg

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время основу систем навигации многоразовых космических аппаратов составляют инерциальные навигационные системы (ИНС) платформенного или бесплатформенного типов [1-4]. Их использование обеспечивает автономное функционирование КА как в процессе межорбитальных перелетов, так и при их спуске в атмосфере Земли, когда из-за плазмаобразования и маневрирования КА использование спутниковых навигационных систем (СНС) или корреляционно-экстремальных навигационных систем (КЭНС) принципиально невозможно.

Однако, из-за погрешностей инерциальных датчиков точность работы ИНС снижается. Поэтому при проектировании КА нового поколения все большее внимание разработчиков уделяется созданию комплексированных навигационных систем (НС) [2, 3]. Проектирование таких НС предполагает объединение ИНС, СНС и КЭНС в единый информационно-измерительный комплекс. Рассмотрим некоторые аспекты его построения.

Практическое использование СНС в системах навигации КА ограничивается рядом пока нерешенных проблем. Такие показатели СНС как доступность, непрерывность, помехозащищенность и ряд других на сегодняшний день не удовлетворяют требованиям навигации многоразовых КА [5, 6]. К тому же, перечисленные показатели работы СНС сильно снижаются при маневрировании КА и при его заходе на посадку [2, 3]. Несмотря на большие усилия, прилагаемые разработчиками к совершенствованию СНС, развертывание широкозонных дополнений WAAS, EGNOS и MSAS, а также региональных и локальных дифференциальных подсистем решить выше указанные проблемы пока не всегда удается [5]. Также необходимо отметить, что до последнего времени состояние космической группировки "ГЛО-

НАСС" было близко к критическому, а высокоточный канал GPS был и вовсе недоступен.

Другим перспективным способом повышения точности работы ИНС является комплексирова-ние показаний инерциальных датчиков с показаниями КЭНС [7]. Использование КЭНС позволяет сохранить автономность движения КА, она менее чем СНС подвержена возмущающим воздействиям, в том числе и преднамеренным, ее показания могут рассматриваться при автономной посадке КА в штатном режиме как основные. В тоже время, эффективность работы КЭНС зависит от параметров движения КА [7]. Так, например, при выходе за определенные допустимые границы углов тангажа и вращения КА, КЭНС фактически теряет свою работоспособность [7].

Существенно уменьшить погрешности работы КЭНС, а в некоторых случаях и полностью их компенсировать, возможно путем комплексирования КЭНС с ИНС [4]. Такое комплексирование позволяет, во-первых, осуществить текущую оценку угловых и линейных параметров движения КА и, тем самым, создать условия для устойчивой работы КЭНС, а во-вторых, обеспечить коррекцию навигационных параметров местоположения КА, оцениваемых в ИНС по информации с карт местности.

Реализация отмеченных преимуществ во многом зависит от эффективности информационного обмена между КЭНС и ИНС, что необходимо учитывать при синтезе структур оценивания вектора состояния комплексированной НС. Кроме того, необходимо иметь в виду, что в случае полного или временного отказа КЭНС, решение навигационной задачи не должно прерываться. Одним из путей решения этой проблемы является использование в алгоритмах навигации КА нескольких структур оценивания, использующих различный состав чувствительных элементов.

243

4*

В связи с этим, целью работы является решение задачи синтеза структур оценивания вектора состояния комплексированной НС многоразового КА, позволяющей на основе использования всей совокупности навигационных измерений ИНС и КЭНС осуществить оценку компонентов вектора состояния НС при любых эволюциях КА.

Рассмотрим один из возможных подходов к синтезу структур оценивания комплексированной НС на примере КЭНС и бесплатформенной ИНС (БИНС), измерительный комплекс которой содержит: три акселерометра, три ДУСа, высотомер (образующие, собственно, БИНС) и КЭСН. В качестве модели шумов измерений чувствительных элементов НС ниже используется белый гауссовский шум (БГШ).

1. УРАВНЕНИЯ СОСТОЯНИЯ БИНС

Полагаем далее, что в состав чувствительных элементов первой навигационной структуры, которая используется на не корректируемом участке движения КА входят: три ДУСа, три акселерометра и высотомер. Уравнения состояния БИНС для выбранного состава измерительного комплекса в параметрах Родрига-Гамильтона имеют вид [8]

Х = 2 Фо(Х)

(Г + г, - ^ )-

-Чг 0

+

2О(Х 2 Х3 + Х1Х4 ) + О( 2 Х? + 2 Х2-1) 2 О(Х 3X4 — Х1 Х2)

А = 1-Фо(|)(- ^),

= с(1)(а, Х)( га - ) + 40(Хз Х4- Х^2) Уг -

- (2 О( 2 Х2 + 2 Х2-1) + + V* (Г + г, + ^)-1)(- д, - /к%к) -

- 4 о2 (Г + г, + ^ )(Х2Хз + Х1Х4 )(Хз Х4 - Х1Х2),

Уг = С(2)(|, Х)(га - ) -- 4 О(Х 3 Х4 - Х1Х2) Чх + (4 О(Х 2 Х3 - Х1Х4) -- (Г + г, - )-1)(г, - До - д ) -

- 2О2(Г + г, - )(2Х? + 2Х3 - 1 )(Х3Х4 - Х1Х2),

^ = д( г, - , ^ к,, г) + + Д( г, - , ^ к, г ) % Л1, ^ = д (г, - wh, г ) + Д( г, - wh, г) % ,2 ,

(1)

где Х = |Х1Х2Х3Х4 - вектор параметров Родрига-Гамильтона, определяющий ориентацию невраща-ющейся сопровождающей системы координат (ССК) относительно ИСК, а - вектор параметров Родрига-Гамильтона, определяющий ориентацию приборной СК (ПСК) относительно ИСК, Ф0(Х), Ф0(А) - известные матрицы, Чх, - проекции линейной скорости движения ПО относительно Земли, г -радиус Земли, , - высота объекта над уровнем моря,

О - скорость вращения Земли, С;(|1, Х) г = 1, 3 - г'-я строка транспонированной матрицы направляющих косинусов С, определяющей ориентацию ПСК относительно ССК, Д , г = 0, ..., 3 - известные нелинейные функции, - вектор показаний ДУСов, га -вектор показаний акселерометров, - показания высотомера, ^ - вектор помех измерения ДУСов, - БГШ известной интенсивности, - вектор помех измерения акселерометров, ^ - помеха измерения высотомера.

Уравнение наблюдения за вектором состояния (1) в данном случае получено там же [8] из основного уравнения инерциальной навигации в виде

С13 С23

г 1

+

г 3 = 1/с331 г,- Д2-

+ (4о(Х2Х3 - Х1Х4) - (г + г, - ^)-1 ) -

- (2О(2Х1 + 2Х2 - 1) + (Г + г, - ^)-1 Чх)Чх +

+ о2 (Г + г, - ^)(2 (Х2 Х3 + Х1Х4 )2 +

+ (2Х1 + 2Х3 - 1 )2) + Яо(Г, г, - ф(Х1 - Х4))} +

(2)

+ 1/с

33 1

С13 С23 С33

- Д%.

Г'

где г3 - выходной сигнал третьего акселерометра, Су - г/'-й компонент матрицы С.

Как отмечалось выше, навигационная структура на основе БИНС может быть эффективно использована только на ограниченных участках времени движения КА, когда ошибки БИНС не превышают заданного уровня. С увеличением интервала времени движения КА требуется их коррекция. Учитывая рассмотренную выше концепцию построения ком-плексированных НС, в качестве системы коррекции показаний БИНС рассмотрим далее КЭСН.

2. СИНТЕЗ УРАВНЕНИЙ ВЕКТОРА

СОСТОЯНИЯ КЭНС КОМПЛЕКСИРОВАННОЙ С БИНС

Комплексирование БИНС и КЭНС предполагает в общем случае взаимный информационный обмен между подсистемами, что предполагает синтез ур авнений вектора состояния КЭНС в за-

мкнутой форме. Формирование подобных уравнений позволяет получить уравнения оценивания непосредственно конформных плоских координат п местоположения КА в отличие от оценок географических (или инерциальных) координат, формируемых в БИНС.

Для синтеза структуры оценивания, содержащей показания КЭНС, продифференцируем обратные соотношения Гаусса-Крюгера [9] по времени

A* Г

% = r ф + -2 r sin ф C0S Ф1 1 +

2 р2 I

22 A* cos ф

12 р 2

,4 4

2 A* cos ф - 5 + t +

360р4

(61-5812 + t4 U = f %(A),

22

A* r Г A* C0S Ф , 1 2

П = — ~cos ф^ 1 +-2-(1- t +

P 2 [ 6р2

(3)

+

44

A* cos (11 120 p4

(5-1812 + t4 )l = f _(A),

A* = (-1) arcsin2(A2A4 + A1A3) + кn,

-— 2(A1A2 - A3A4)

к = 0, ^ ф = arctg

1-2 (A2 + A3 )

+ к n,

(4)

имеем:

П

df%(l) df%(1) Эf%(1) Эf%(1)

3A1 3A2

dA3

dfn( 1) dfn( 1) dfn( 1) dfn( 1)

3A1 3A2

dA3

ф*П( 1) 1 •

d f %( 1) A1

3A4 A2

d f n(1) A3

3A4 A4

= (5)

n

= 2 Ф*п( 1 )Фо (A)

(r + Zh - Wh)

-1

-V, 0

+

(6)

20(^2 А3 + А?А4)

0( 2 А?+ 2 А2 — 1)

2 0(Аз А4 — А? А2)

Для окончательного выражения правой части системы (6) в функции п необходимо подставить прямые соотношения Гаусса-Крюгера [9]

A* =

2 ПР

r cos-r

1-^ (1 + 2tf) +

. 3 r

+ 2 -0- (5 + 2811 + 241\)

15 r

где р - коэффициент пересчета радианной меры в секундную, t = tgф, А*, ф - текущие значения долготы и широты, имеющие в параметрах Род-рига-Гамильтона вид

ф

_ % 2 П ^ t ! р

3r

+ 2П- (61 + 90t2 + 45t1) 45 r

1- 5 + 31\) +

(7)

= fф(n,%),

формулы для кватернионов [10]

. х f A*(n,%) f ф(П,%)

A, = cos))cos---cos-5-—-+

1 2 2 2

+ sin2sin-2-Sin-JL2- = A1 (П, %, X),

. X ■ fA*(n,%) fф(П,%)

A2 = cos --- sin ----------------------- cos -------------------- +

2 2 2 2

f A*(n,%) f ф(П,%)

+ sin Xcos" Л * 2 ' ' - -sin-7 ф v 2'' ъ ' = A2 (n,%, X),

А3 = 008--008

V f f ф(П,%)

(8)

sin

Используя выражения для вектора 1 из системы уравнений (1), получим выражение для конформных плоских координат п в виде

22

- sin|sin-cos¿si±hl = A3(n, %, х),

A4 = cos --- sin ------*--------------- sin -------------------- -

-sin ¡cos-^cos^ = A4 (П.%.х),

где

х = 2 ( A 1 ( П> %. х)A4 (n. %. х) - A2 ( П> %. х)A3 (n. %. х ) ) ! kn

1 - 2( A2 ( n , %, х ) + A4( n, %, х ) ) •

Анализ правой части выражений (8) показывает, что для синтеза замкнутой формы уравнений %, П необходимо дополнить вектор состояния ком-плексированной НС дифференциальным уравнением для угла

Продифференцировав выражение (9) по времени и учтя в полученном результате выражения для проек

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.

Показать целиком