CC BY
123
УДК 629.73
Н.Ш. Хусаинов
ОЦЕНКА ТОЧНОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ ОБЪЕКТА СРЕДСТВАМИ АВТОМАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ БЛИЖНЕЙ РАДИОНАВИГАЦИИ С ПОМОЩЬЮ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
.
вектора навигационных определений, содержащего данные о текущих координатах (и скорости) объекта - летательного аппарата (ЛА) относительной выбранной .
, , автономном режиме навигации. Если же для определения координат ЛА используются наземные средства, то процесс навигации является неавтономным и требует навигационного обеспечения полета [1, 2].
В автономных средствах навигации, таких как инерциальные навигационные ( ), -рования показаний датчиков угловых скоростей, ускорений и т.п. [3] Современные ИНС характеризуются высокой частотой формирования вектора навигационных , , -нию ЛА радиотехническими средствами наблюдения и разведки. Однако принципиальной особенностью ИНС является накопление ошибки при выполнении ин-, , -, -ния (управление движением ЛА по маршруту, посадка ЛА и т.д.) средствами исключительно автономной системы управления.
Для определения местоположения объекта с точностью, не зависящей от ,
( ), -ных точек (ОНТ) с заранее известными координатами: радиомаяков (например, для систем посадки) или космических спутников (дая управления движением по маршруту воздушных и морских судов, спасения терпящих бедствие, автомобильной навигации и т. д.). Спутниковые навигационные системы (СНС) GPS (в том
), -ционных определений с высокой точностью, однако низкая частота формирования вектора координат и слабая помехозащищенность спутникового сигнала обусловливают возможность их применения в системах управления высокоскоростными маневренными ЛА только в сочетании с ИНС [4]. Существующие радионавигационные системы наземного базирования, в частности, системы ближней навигации и посадки ГРАС, Крабик, ИЛС и др., решают задачу определения местоположения и/или направления движения ЛА на расстоянии в пределах десятков километров от .
Точность большинства наземных РНС несколько хуже, чем у спутниковых , , зависимость от энергоснабжения, необходимость предварительной высокоточной геодезической привязки наземных ОНТ и открытость их функционирования ограничивает область применения существующих наземных РНС крупными аэродромами, как правило, гражданского назначения [5].
В работе затрагиваются вопросы разработки навигационного обеспечения для разрабатываемой автоматической системы ближней радионавигации (АСБРН), которая за счет:
♦ малогабаритное™, скрытности установки, скрытности функционирования в режиме ожидания, автономности и низкого энергопотребления наземных ОНТ;
♦ разрабатываемо го информационно-адгоритмического обеспечения, поддерживающего расчет вектора навигационных определений в условиях избыточности информационной схемы, отказов наземных ОНТ, жестких ограничений вычислительных ресурсов бортовой части системы должна обеспечивать возможность определения местоположения пилотируемых ЛА малой авиации, вертолетов, беспилотных высокоскоростных маневренных ЛА для решения широкого спектра задач гражданского и военного назначения.
Задача оценки точности определения вектора координат ЛА средствами
АСБРН. Наземная часть разрабатываемой АСБРН включает набор ОНТ, устанавливаемых в области требуемого определения координат ЛА, и информационно, -печения полета для бортовой части системы. Бортовой модуль АСБРН функционирует в рамках бортовой интегрированной системы управления ЛА (БИСУ ЛА) и по дальномерным измерениям до ОНТ с использованием навигационного обеспечения формирует вектор координат ЛА в системе координат, связанной с ОНТ, в текущий момент времени и передает его в систему управления.
Исходными данными для функционирования комплекса АСБРН являются:
♦ конфигурация ОНТ с оценками уровней ошибки позиционирования ра-
,
радиотехническим оборудованием АСБРН;
♦
навигационных определений средствами АСБРН;
♦ требования и ограничения по трудоемкости алгоритмов расчета координат ЛА с учетом ресурсов бортового вычислителя;
♦ измеренные дальности до ОНТ (только для бортового модуля АСБРН).
( )
-
:
♦
с землей (приземления) на завершающем участке траектории;
♦ сформировать множество оптимальных алгоритмов, обеспечивающих предельно возможную точность решения навигационной задачи при минимизации вычислительных затрат (в том числе с учетом вероятности от);
♦
управления ЛА с учетом их динамических характеристик;
♦ подготовить навигационное обеспе чение полета для загрузки его в бортовой модуль АСБРН ЛА.
Решение задачи оценки точности определения местоположения ЛА средствами имитационного моделирования. На точность определения координат ЛА средствами рассматриваемой АСБРН решающее влияние оказывают точности задания исходных данных измерений (точность позиционирования ОНТ и
),
точности в зависимости от конфигурации ОНТ (GDOP) и взаимное положение ЛА и группы ОНТ.
Использование аналитических подходов к решению задачи априорной оценки точности определения координат объекта средствами РНС связано с рядом ограничений. Во-первых, существующие РНС изначально ориентированы на использование единственного алгоритма для расчета всех составляющих вектора навига-
( ), -
этому известные математические подходы к априорной оценки точности определения координат объекта связаны с конкретным алгоритмом расчета, а не носят характер "предельных оценок" [6]. Во-вторых, методы оценки влияния геометрического фактора ухудшения точности (GDOP), а также взаимного положения ЛА и , -
гурации из 4-х или 3-х ОНТ. Для случая избыточности конфигурации ЛА представляет интерес выбор такого подмножества ОНТ (мощность подмножества заранее неизвестна), которое характеризуется минимальным показателем GDOP. В, ( -
динат ЛА с предельной точностью) подгрупп ОНТ необходимо принимать во вни-
мание разброс ошибок позиционирования различных радиомаяков.
Получить универсальную аналитическую комплексную оценку одновременного влияния всех рассмотренных выше факторов на итоговую точность вектора навигационных определений представляется проблематичным, поэтому в инфор-
-
оценка точности определения местоположения ЛА выполняется посредством ими.
Методнка оценки точности определения местоположения ЛА посредством имитационного моделирования. Моделирование выполняется в некоторой
, .
Положение области решения задается в локальной системе координат с центром в точке предполагаемого касания ЛА с Землей. Размер и форма области решения зависят от специфики решаемой задачи:
Вариант 1. В случае необходимости выбора направления движения ЛА, при котором вектор навигационных определений АСБРН формируется с наибольшей ,
требуемой точки касания ЛА с землей. При моделировании область решения разбивается на множество регулярных непересекающихся подобластей. Оценка точности определения координат ЛА выполняется для каждой подобласти независимо. Анализ результатов моделирования позволяет выбрать направление и параметры движения ЛА, при которых его траектория будет проходить через наиболее " " .
Вариант 2. Для оценки точности определения координат ЛА при движении вдоль заданной траектории область решения охватывает пространственный "кори" ( ), заданной идеальной траектории вследствие накопления ошибки ИНС при движе-. " " могуг для простоты описываться цилиндрами.
При имитационном моделировании рассматривается задаваемый оператором (с учетом ресурсов бортового вычислителя ЛА) набор разрешенных алгоритмов вычисления координат объекта. Для каждого алгоритма известны размерность вектора входных параметров (измерений дальностей до ОНТ) и трудоемкость в .
В каждой подобласти решения случайным образом по равномерному (дня варианта 1) или нормальному (дня варианта 2) закону многократно генерируется истинное положение ЛА. От каждого положения ЛА рассчитывается расстояние до искаженных (в соответствии с сигмой ошибки позиционирования) координат
, , сигме ошибки измерения дальности. Полученные искаженные дальности используются для расчета координат ЛА тем или иным алгоритмом. По результатам вычисления координат ЛА формируются статистические оценки (математическое ожидание и сигма) точности определения каждой пространственной координаты объекта в рассматриваемой подобласти каждым алгоритмом. В случае избыточности конфигурации варьируются не только алгоритмы, но подгруппы используемых радиомаяков. Рассмотренные кортежи <адгоритм, подгруппа_ОНТ> ранжируются по возрастанию сигмы ошибки. Минимальный уровень ошибки для каждой координаты является итоговой оценкой точности расчета вектора навигационных определений в данной подобласти.
При необходимости минимизации ресурсов бортового вычислителя на расчет координат объекта по информации от АСБРН используется некоторый параметр ,
координат. Среди кортежей, отличающихся по уровню точности от "лучшего" кортежа на величину, не превышающую заданного значения параметра допуска, выбирается тот кортеж, алгоритм в котором имеет наименьшую условную трудоем-
.
Ранжированный список кортежей используется для построения дерева отказов. Поочередно каждый из ОНТ признается "отк^авшим" и из списка выбирается кортеж с наименьшим уровнем ошибки, в котором не использован отказавший .
, -
< , _ > . Затем "отк^авшими" признаются одновременно два радиомаяка и выполняются аналогичные действия для формирования второго уровня дерева отказов. Процесс повторяется до тех пор, пока не будет исчерпана информационная избыточность .
Рассмотренная методика положена в основу разработанной программной мо-
- .
Проверка достоверности результатов, полученных в ходе имитационного моделирования, осуществляется с помощью другой программной модели, имитирующей движение ЛА по заданной траектории с множественными измерения дальностей до ОНТ, вычислением координат ЛА по информации от АСБРН и коррекцией координат в БИСУ ЛА.
Основные результаты моделирования. Проведенные эксперименты подтверждают адекватность оценок точности определения местоположения ЛА, получаемых на основе имитационного моделирования: бортовой модуль АСБРН в программной модели имитации движения ЛА в 90-95% выдавал координаты ЛА с ошибкой, не превышающей величины 3а для соответствующей подобласти .
По результатам исследований также отмечено, что на точность решения навигационной задачи количество радиомаяков влияет в меньшей степени, чем геометрический фактор конфигурации (точность решения навигационной задачи при
9 , , , 3 ,
).
точности вычисления координат ЛА при увеличении избыточности связано, в пер, " "
, .
Несмотря на универсальность такого алгоритма вычисления вектора навига-, ( ), подавляющем большинстве случаев с учетом параметра допуска удавалось выбрать какой-либо аналитический алгоритм решения навигационной задачи, уступающий МНК по точности не более, чем на 5-10% при существенно (в несколько ) .
Использование набора различных алгоритмов и возможность независимого определения каждой координаты ЛА приводят к существенному (до 1,2-1,3 раза) повышению точности определения местоположения объекта.
Заключение. Предложенная методика ре шения навигационной задачи, основанная на возможностях независимого вычисления каждой из координат ЛА, выборе оптимальных подгрупп радиомаяков и алгоритмов для каждой из областей коррекции позволила получить по результатам моделирования точностные харак-, -ных беспилотных маневренных ЛА.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Карташкин А.С. Авиационные радиосистемы. - М.: ИП РадиоСофт, 2007.
2. Лысенко Л.Н. Навигация и наведение баллистических ракет: Учебное пособие. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2007.
3. Пешехонов ВТ. Навигационные системы // Вестник РАН, № 1, 1997.
4.
современных информационных технологий / Под ред. М.Н.Красилыцикова и Г.Г. Серебрякова. - М.:ФИЗМАТЛИТ, 2005.
5. Межгосударственная радионавигационная программа государств-у частников содружества независимых государств на 2001-2005 годы (Концепция развития радионавигационных систем). - М., 2001.
6. Сетевые спутниковые радионавигационные системы / В.С. Шебшаевич, ПЛ. Дмитриев, Н.В. Иванцевич и др.; Под ред. В.С. Шебшаевича. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1993.
УДК 654.19:621.391.83
..
ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ РАЗМЫВАЮЩЕЙ НАСАДКИ (DITHER) ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВИДЕОПАРАМЕТРОВ В МЕТОДЕ УТФ
Точность измерений ряда видеопараметров зависит от погрешности кванто-
,
формирования и передачи программ разрядности Q = 8 [1]. Например, коэффициент нелинейных искажений, определяемый отношением амплитуд ступеней сигнала яркости, занимающих согласно [2] число уровней 220*0,2 = 44, может быть измерен со ошибкой: S = (1 - 43/45) = 4,4%.
