Теория и принципы построения
датчиков, приборов и систем
УДК 629.7.05
ОБЪЕКТНО-ОРИЕНТИРОВАННАЯ МОДУЛЬНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ СОЗДАНИЯ ИНТЕГРИРОВАННЫХ НАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ НА БАЗЕ КВАНТОВО-ОПТИЧЕСКИХ ИЗМЕРИТЕЛЕЙ
А. В. Чернодаров, А. П. Патрикеев
Рассмотрены особенности создания интегрированных навигационных систем с применением объектно-ориентированной модульной технологии. Представлена структура аппаратного и программно-математического обеспечения бесплатформенных инерциально-спутниковых навигационных систем на базе волоконно-оптических и лазерных гироскопов. Анализируются результаты натурных испытаний.
Ключевые слова: интегрированные навигационные системы, квантово-оптические измерители, объектно-ориентированная технология разработки, летный эксперимент.
ВВЕДЕНИЕ
Нынешний этап развития авиационного оборудования (АО) характеризуется разработкой и внедрением интегрированной модульной авионики (ИМА) [1], что связано с ужесточением требований к надежности АО, а также с необходимостью улучшения массогабаритных и эксплуатационных характеристик. Объектно-ориентированная реализация такой технологии позволяет создавать заказные системы.
Ядром рассмотренных в работе навигационных комплексов (НК) нового поколения [2] являются бесплатформенные инер-циальные (БИНС) и инерциаль-но-спутниковые (БИСНС) навигационные системы на базе квантово-оптических измерителей: кольцевых лазерных (КЛГ)
и волоконно-оптических (ВОГ) гироскопов. Функционирование таких гироскопов основано на измерении разности хода между двумя встречными световыми волнами при вращении кольцевого оптического интерферометра (эффект Саньяка) [3].
При разработке аппаратного обеспечения заказных систем НК можно выделить следующие элементы рассматриваемой технологии: унификация и стандартизация аппаратных модулей; адаптация аппаратных модулей и интерфейсов под объект; буферизация потоков данных и распараллеливание вычислений; синхронизация процедур обработки данных в модулях НК; использование системной шины для ускорения обмена данными между модулями; открытая архитектура построения НК, позволяющая расширять его вычис-
лительные возможности в процессе модернизации.
Объектно-ориентированная технология разработки программно-математического обеспечения (ПМО) заказных систем НК предусматривает решение, в том числе, следующих задач: распределение процедур сбора, обработки и регистрации данных между уровнями иерархии ИМА; структуризация алгоритмического обеспечения с целью унификации программно-аппаратных модулей (ПАМ), потоковой ШБС-организации и распараллеливания вычислений; согласование процедур первичной и вторичной обработки сигналов измерений с вычислительными возможностями ПАМ; повышение однородности вычислительного процесса на основе минимизации количества проверок и условий.
2
вепвогв & Эувгетв • № 3.2014
Рассматриваемые в работе технологические решения указанных задач реализованы на базе операционной системы Linux.
РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНО-МАТЕМАТИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ИНТЕГРИРОВАННЫХ НАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ
Объектно-ориентированная технология разработки ПМО предусматривает отображение алгоритмов БИСНС на модульную реконфигурируемую архитектуру измерительно-вычислительной среды. При реализации такой технологии учитывалась возможность обеспечения однородности и потоковой организации ПМО БИНС на основе раздельного решения кватернион-ных уравнений для параметров ориентации, навигации и их ошибок
•о = -по4о; (1)
q i = -П^; (2)
x = A(t)x(t) + GWm, (3)
где qo — кватернион, характеризующий угловую ориентацию связанной с инерциальным измерительным блоком (ИИБ) системы координат oxyz относительно инерциальной; q^ — кватернион, характеризующий угловую ориентацию свободного в азимуте опорного навигационного трехгранника о^пС относительно земной геоцентрической системы координат;
По =
0 -©1 -©2 -©з
© 1 0 -(©3 <©2 (©2 © 3 0 -© 1 ©3 -©2 © 1 0
0 -ю^ -юп -ю^
ю^ 0 ю^ -юп
юп -ю^ 0 ю^
ю^ юП -ю^ 0
оси; ю = [ю^ ю^]
П =
© = [ ©х ©у ]Т — вектор абсолютной угловой скорости ИИБ
в проекциях на его собственные Т
— вектор
относительной угловой скоростей вращения опорного навигационного трехгранника о^пС-Причем для свободного в азимуте трехгранника ю^ = 0. Элементы вектора ю определяются по проекциям вектора относительной скорости V из решения основного уравнения инерциаль-ной навигации:
V = сТа + £ - 2ПXV -
- «XV - П х(П х Я), (4) ПТ
где V = [ Vf Vn V^] — вектор эллипсоидом. A(t) =
п
относительной скорости движе-
— Т
ния ИИБ; а = [ах йу а^] — вектор выходных сигналов акселе- Т рометров; £ = [^ — вектор гравитационного ускорения;
— Т
П = [П^ Пп П^] — вектор угловой скорости вращения Земли;
— т
Я = [0 0 Я] — радиус-вектор местоположения ИИБ; (х) — оператор векторного произведения; С2 — матрица направляющих косинусов, характеризующая угловую ориентацию связанной системы координат вхуг относительно опорного трехгранника о^пС и определяемая по элементам кватернионов #0, #1 и углу ПА?, где А? — время функционирования БИНС. Кроме того, по элементам данных кватернионов определяются углы ориентации у, 9, у ИИБ относительно сопровождающего трехгранника оЕИН геодезической системы координат, а также геодезические широта ф и дол-
гота 1; П0; П — кососиммет-ричные матрицы, знаки элементов которых соответствуют конструктивному исполнению ИИБ; х(?)— вектор ошибок БИНС.
Раздельное решение уравнений (1), (2) позволяет довести глубину оценивания ошибок БИНС до уровня чувствительных элементов (ЧЭ): гироскопов и акселерометров. Базовый вектор ошибок включает 24 параметра, а именно: ошибки счисления составляющих вектора относительной скорости; ошибки счисления элементов кватернионов ориентации #о и навигации #1, угловые дрейфы гироскопов, смещения акселерометров, оценки перекосов измерительных осей акселерометров и гироскопов, а также ошибку определения высоты над земным дД К ?) —
dY
матрица частных производных; Е(У, ?) — функция, представляющая в общем виде правые части уравнений БИНС (1), (2), (4) и ошибок ЧЭ; V = V(f) — вектор параметров, определяемых БИНС; (Т(?) — матрица интенсивностей возмущений
ПАМ реализует следующие режимы работы БИСНС: грубая начальная выставка; точная начальная выставка; навигационный режим с подрежимами автономной инерциальной навигации и инерциально-спутнико-вой навигации.
В режиме грубой начальной выставки выполняется приближенное определение угловой ориентации ИИБ по выходным сигналам ЧЭ. В режиме точной начальной выставки оцениваются ошибки угловой ориентации ИИБ, а также остаточные дрейфы ЧЭ. Данная задача ре-
шается на основе последовательной обработки адаптивно-ро-бастным фильтром (АРФ) кал-мановского типа [6] сигналов наблюдений ц следующего вида:
£©(/) = С0( г)
( 1 -^/ = г - N + 1
- [0:0: од?г];
(5)
= [ в1ь
г^г-1 БИНС
[]ТНВ ; (6)
^0) = [ У^Уп ](г)БИНС , (7)
где ТНВ — обозначение точки начальной выставки; В, Хг — геодезические широта и долгота местоположения БИНС;
= ti — ^ _ 1 — шаг наблюдений; Со — матрица направляющих косинусов, характеризующая угловую ориентацию связанной системы координат относительно инерциальной.
Оценивание и компенсация ошибок в режиме навигации БИНС реализуется на основе последовательной обработки с помощью АРФ наблюдений вида
= [ в{Ц
г^иБИНС
[ В111
г^и СНС '
(8)
00 ^(1) = С4(г) [ ^ ](г)БИНС
Рис. 1. Типовая схема ПМО БИСНС в модульном исполнении
- [ УЕ VNУн]{)СНС , (9)
где С4 — матрица направляю -щих косинусов, характеризующая взаимную угловую ориентацию опорного о^пС и геодезического оЕИН сопровождающего трехгранника; СНС — спутниковая навигационная система.
На рис. 1 представлена типовая схема ПМО БИСНС в модульном исполнении, где показаны: ПНПП — пилотажно-на-вигационные параметры полета; модули, разрабатываемые под
конкретные измерители БИСНС (выделены толстыми линиями); унифицированные модули (выделены тонкими линиями).
Реализованные в БИСНС подходы к обработке сигналов направлены на решение следующих задач: на этапе первичной обработки сигналов ЧЭ — распределенное интегрирование кинематических уравнений; цифровая фильтрация сигналов ЧЭ; локализация и парирование случайных сбоев ЧЭ по комбинированному критерию согласия %2/Э2 [6]; на этапе вторичной обработки сигналов наблюдений (5)—(9) — оценивание и компенсация дрейфов ЧЭ, оставшихся после заводской калибровки и проявляющихся в каждом запуске БИНС; идентификация параметров моделей ошибок ЧЭ и параметров АРФ.
АППАРАТНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИНТЕГРИРОВАННОЙ НАВИГАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ
Современное состояние индустриальной электроники создает необходимые условия для внедрения объектно-ориентированных технологий в разработку бортовых комплексов. Применительно к БИСНС на базе квантово-оптических измерителей такая технология предусматривает объединение в единую структуру процессорных модулей, решающих различные функциональные задачи. В зависимости от требований к условиям применения, надежности, ремонтопригодности, а также к массе и габаритам, разрабатываемая система может быть построена на базе различных унифицированных модулей. В настоя-
4
Эепвогв & Эувгетв • № 3.2014
щее время, например, в стандарте РС-104 существуют все необходимые модули для реализации программно-аппаратного обеспечения БИСНС различного назначения. На рис. 2 представлена типовая структурная схема БИСНС в модульном исполнении, где показаны: ф, X — соответственно географическая широта и долгота летательного аппарата (ЛА); Vg — проекции вектора траекторной скорости ЛА на оси географического сопровождающего трехгранника; ИИБ — инерциальный измерительный блок; А©х, А©у, А©г — приращения углов поворота ИИБ, построенного на базе КЛГ, в инерциальном пространстве. При построении ИИБ на базе ВОГ выходными сигналами являются проекции вектора абсолютной угловой скорости вращения ЛА на оси ИИБ; А^Х, АVy, А^ — приращения проекций вектора кажущейся скорости на оси ИИБ. При использовании аналоговых акселерометров выходами сигналами ИИБ являются проекции вектора кажущегося ускорения на оси ИИБ; толстыми линиями выделены нестандартные элементы, а тонкими — элементы, имеющие стандартные типора
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.