CC BY
73
THE RESEARCH OF AUTONOMOUS LOCAL RADIO NAVIGATION SYSTEM PRECISION CHARACTERISTICS WHEN USED ON STATIONARY OBJECTS
G.A. Kvetkin, V.V. Scherbinin, A.V. Izmaylov-Perkin
The peculiarities of application of autonomous local radio navigation system on stationary objects are considered. The accuracy estimation of navigation solution is given. The results of field experiments are presented.
Key words: local radio navigation system, navigation, accuracy estimation.
Scherbinin Victor Victorovich, doctor of technical sciences, professor, head of research department, [email protected], Russia, Moscow, JSC "Central Research Institute of Automatics and Hydraulics ",
Kvetkin Georgiy Alekseevich, candidate of technical sciences, head of laboratory, [email protected], Russia, Moscow, JSC "Central Research Institute of Automatics and Hydraulics ",
Izmaylov-Perkin Alexander Victorovich, engineer, [email protected], Russia, Moscow, JSC "Central Research Institute of Automatics and Hydraulics",
Schevtsova Ekaterina Victorovna, catrin [email protected], candidate of technical sciences, docent, Moscow Bauman State Technical University
УДК 629.7.052
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
РАЗРАБОТКИ КОМПЛЕКСНОЙ ИНТЕГРИРОВАННОЙ
СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ БЛА С РАДИОТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМОЙ ЛОКАЛЬНОЙ НАВИГАЦИИ
В.В. Щербинин, Г. А. Кветкин, П. Д. Зиновьев
Рассматриваются область применения, задачи, решаемые системой, и способы их решения. Формируется упрощённая структура системы.
Ключевые слова: САУ, БЛА, радиотехническая навигационная система.
Разрабатываемую систему планируется применять на сверхлёгких и лёгких БЛА самолётного типа. Существует множество классификаций БЛА по взлётной массе и дальности действия [1, 2]. В общем смысле они похожи, но иногда один и тот же БЛА может быть классифицирован по-разному. Поэтому требуется уточнить, что имеется в виду под сверхлёгкими (взлётная масса до 5 кг, дальность полёта до 20 км) и под лёгкими
60
(взлётная масса 5...40 кг, дальность полёта до 100 км) БЛА. Серьёзным преимуществом данного типа БЛА является возможность их использования без ВПП. Взлёт сверхлёгких аппаратов может производиться с руки [1], а допустимая посадочная скорость позволяет осуществлять посадку на траву или в снег без каких-либо повреждений. Однако большая часть современных БЛА совершает посадку с помощью парашюта и/или воздушной подушки, что не является оптимальным способом, т.к. высока вероятность повреждения конструкции ЛА и его оборудования при ударе о посадочную поверхность, а размещение таких посадочных систем на борту снижает вес полезной нагрузки.
Управление движением БЛА может производиться оператором с наземной станции, бортовой аппаратурой (автопилотом) по заранее запрограммированному маршруту, а также объединять в себе оба этих типа управления с возможностью их переключения или совместной работы (САУ). Именно последний вариант управления БЛА отвечает современным требованиям и позволяет совершать полёт по оптимальной траектории (достоинства автопилота), а в случае необходимости мгновенно переходить на ручное управление с частичным (остаётся стабилизация и ограничения по углам крена и тангажа) либо полным отключением бортовой части управления.
Наземная часть системы управления в общем случае состоит из приёмопередатчика, пульта управления и дисплея для отображения информации, транслируемой с ЛА. Тем временем бортовая часть является насыщенным комплексом, обеспечивающим совместную работу десятка устройств, решающих одновременно целый перечень совершенно различных задач (измерение параметров движения объекта в пространстве, поддержание этих параметров в допустимых диапазонах, слияние сигналов управления от наземной станции и от автопилота, трансляция на «землю» состояния отдельных частей бортовой системы и др.).
Под комплексной интегрированной системой автоматического управления БЛА с радиотехнической системой локальной навигации (РТСЛН) в данной работе понимается система, размещаемая на борту БЛА, основными частями которой являются блок навигации (БН) и блок управления (БУ) (рисунок 1). В свою очередь, каждый блок делится на подсистемы, обеспечивающие его функционирование и связь как с составными частями бортовой системы, так и с наземной станцией, полезной нагрузкой.
Структура навигационной части системы. В состав БН могут входить (рисунок) БИНС на базе микромеханических датчиков первичной информации, бортовой модуль РТСЛН, приёмник СНС, система воздушных сигналов (СВС), лазерный/ультразвуковой дальномер, магнитометри-
ческий датчик, подсистема комплексной обработки навигационной информации. Главная цель последней заключается в повышении точности определения параметров навигации и ориентации БЛА и выдаче наиболее полной информации о движении в БУ.
БИНС при корректной инициализации и выставке способна отслеживать координаты объекта, его скорость, а также углы ориентации с достаточно широкой полосой пропускания (обычно 50.400 Гц). Однако, как известно, инерциальным навигационным системам свойственна накапливающаяся с течением времени ошибка, а вертикальный канал БИНС вовсе является неустойчивым [3]. Это определяет необходимость использования дополнительных измерений других систем.
Общая структура СА У
В вертикальном канале на небольших высотах дополнительные измерения могут производиться лазерным или ультразвуковым дальномером. Первый имеет лучшие точностные характеристики (единицы см против десятков см) и позволяет измерять большие дальности (100.200 против 10.20 м), тогда как стоимость второго на порядки меньше, его массогаба-ритные параметры и энергопотребление больше соответствуют компактной системе. Однако значение выходного параметра датчика измерения расстояния является геометрической высотой, которую можно использовать в системе управления только, если отражающая поверхность под ЛА является поверхностью Земли, а углы тангажа и крена близки к нулю. Обычно такое сочетание факторов имеет место на малых высотах полёта, в частности, на первоначальном этапе взлёта и завершающем этапе захода на посадку. Для определения высоты на остальных этапах полёта традици-
онно [4] используют барометрический способ, при котором измерительным прибором является датчик статического давления, входящий в состав СВС. Определив давление в точке взлёта, становится возможным определение относительной высоты объекта. Однако при продолжительном нахождении БЛА в воздухе (для данного типа ЛА 0,5.. .1,5 ч) флуктуации атмосферного давления на уровне земли могут привести к ошибочному определению относительной высоты. Для компенсации этой ошибки может быть использован дифференциальный метод измерений в режиме реального времени с помощью дополнительного датчика статического давления в составе наземной станции.
Коррекция навигационных параметров в горизонтальной плоскости может быть осуществлена по измерениям бортовых модулей СНС и РТСЛН. Одновременное использование систем обусловлено достоинствами каждой из них: первая система позволяет определить местоположение и скорость объекта на любых открытых участках местности, вторая - способна осуществлять локально-автономную навигацию объекта в местах, где наблюдение полного созвездия спутников затруднено (естественные и искусственные преграды, высокие широты), а также обладает повышенной, по сравнению с СНС, помехозащищенностью. РТСЛН способна формировать высокоточное навигационное решение (СКО определения горизонтальных координат порядка 1 м) с частотой обновления до 200 Гц, тогда как среднестатистические приёмники СНС обеспечивают выдачу информации с частотами 1-10 Гц. Таким образом, использование данных систем сообща позволяет выполнять полёты как в трудных условиях на малых высотах (быстро обновляющиеся высокоточные параметры от РТСЛН), так и при подъёме над преградами и существенном удалении от наземной станции (коррекция по СНС).
Обе вышеупомянутые системы рассчитывают значение путевого угла, который позволяет корректировать ошибку угла курса БИНС на прямолинейных участках полёта (при условии малости угла скольжения) и определять угол скольжения в случае нетраекторного разворота. Добавление в состав системы магнитометра позволит определять угол скольжения, обусловленный ветровой составляющей скорости.
В законах управления обычно фигурирует скорость объекта относительно воздушных масс. Для этого в СВС входит датчик динамического давления, по выходному сигналу которого рассчитывается воздушная скорость объекта.
Блок управления. Полученные параметры движения объекта передаются в БУ, который, в свою очередь, можно разделить на следующие подсистемы (см. рисунок): автопилот (АП), радиоприёмопередатчик, канал управления (КУ) аэродинамическими рулями, КУ тягой.
63
В том случае, если управление БЛА полностью передано оператору наземной станции, САУ регулирует отклонения органов управления и тягу строго исходя из полученных по радиоканалу сигналов. Данный режим должен быть предусмотрен для сохранения контроля над БЛА в процессе натурной отладки системы или при критическом отказе навигационной части бортовой аппаратуры. Однако продолжительное полностью ручное управление при ветровых возмущениях (сильно влияние ветра будет именно у лёгких БЛА) крайне затруднительно.
Это приводит к необходимости создания режима стабилизации, при котором происходит совместная обработка двух информационных потоков. С одной стороны, управление поступает от оператора, с другой - АП контролирует величины тех параметров движения, выход которых из допустимого диапазона может привести к потери управления Правильное слияние этих потоков должно позволить безопасно и дистанционно пилотировать БЛА с максимальным снижением влияния «человеческого фактора».
Современные тенденции развития ЛА диктуют необходимость управления в полуавтоматическом и автоматическом режимах. Даже пилотируемые ЛА в настоящее время большую часть полёта совершают в автоматическом режиме и лишь сложные манёвры остаются за пилотом. Эти два режима различаются тем, что в полуавтоматическом режиме задачей САУ является стабилизация полёта БЛА на одном этапе полёта с возможностью его переключения сигналом от оператора, а в автоматическом режиме производится стабилизация полёта БЛА на заданной траектории (заранее записанные в бортовой вычислитель контрольные точки).
Любую пространственную траекторию можно представить в виде последовательности элементарных этапов. Причём состояние в конце одного этапа должно соответствовать нулевому моменту времени этапа, идущего следующим на траектории. На каждом элементарном этапе в автопилоте формируются значения параметров управления, и задачей САУ является обеспечение выдерживания данных значений с требуемой точностью.
Синтез САУ начинается с описания модели рассматриваемого ЛА, от адекватности которой зависит совпадение реакции на закон управления реального и моделируемого объектов. В общем случае модель движения ЛА представляет собой систему нелинейных уравнений, состоящую из кинематических и динамических уравнений поступательного и вращательного движений. Так как анализ такой модели крайне сложен, обычно её стараются упростить, пользуясь методами линеаризации, «заморозки» коэффициентов, рассматривая отдельно продольное и боковое движения. При этом необходимо анализировать отдельно каждый установившийся элементарный режим полёта, когда параметры возмущенного (внешними не-
64
учтенными воздействиями) движения объекта имеют малые отклонения от опорного движения. В дополнение к этому недопустимость пренебрежения переходами между этапами установившегося движения или риск возникновения внешних возмущений большой амплитуды могут обусловить необходимость учета и нелинейностей модели. Поэтому возможность применения определенной модели или их сочетания для решения поставленной задачи должна быть изучена и аргументирована. На первом этапе разработки при рассмотрении простейшего этапа полёта (обычно горизонтальный прямолинейный полёт) допускается использование одной из известных упрощенных моделей [5, 6].
В модель БЛА входят его геометрические параметры и аэродинамические коэффициенты, однако в настоящее время существует большое количество сверхлёгких ЛА, параметры которых не предоставляются производителем. Геометрические параметры такого объекта можно определить с приемлемой точностью и в лабораторных условиях, однако определение его аэродинамики является сложной задачей и обычно требует больших временных затрат либо привлечения специальных средств. Поэтому целесообразно разработать систему управления, позволяющую использовать для объекта, аэродинамические коэффициенты которого не известны, коэффициенты аппарата схожей компоновки, т.е. система управления должна обладать свойством робастности, способным нивелировать неточности, допущенные на этапе проектирования.
Однако на первом этапе разработки планируется использовать более простые методы управления, что предполагает рассмотрение ЛА с известными аэродинамическими коэффициентами. Для получения приемлемого ручного управления может потребоваться внедрение в контур управления демпферов тангажа, крена, курса, а также, исходя из показателей управляемости, оценить необходимость в автоматах продольного и бокового управления.
На следующем этапе синтезируются АП угла тангажа, высоты, тяги, стабилизации углов крена и курса. Одним из основных требований, предъявляемых к системам БЛА-автомат, является требование устойчивости возмущенного движения системы [5], для удовлетворения которого в процессе синтеза моделируются типовые возмущения (управляющее возмущение, возмущение по силе, возмущение по моменту, ветровое возмущение) в продольном и боковом каналах, анализируются переходные процессы параметров управления и при необходимости вводятся регулирующие звенья.
Выполнение данных этапов составляет значительную часть разработки, т.к. имеется сформированная структура САУ. Дальнейшими задачами разработки являются настройка модели БЛА для других рассматри-
65
ваемых элементарных этапов полёта, их взаимное согласование для плавного перехода между ними, попытка увеличения робастности системы путём внедрения адаптивных контуров управления.
Заключение. Сформирована общая структура комплексной интегрированной САУ с РТСЛН, учитывающая класс БЛА, а также описаны режимы работы, которые должны воспроизводиться системой. Рассмотрены планируемые к включению в состав БН устройства и обосновано их совместное использование. Перечислены задачи первоначального этапа синтеза законов управления АП, а также задан вектор их дальнейшего развития.
Список литературы
1. Митин М.Д., Никольский Д.Б. Современные тенденции развития отрасли беспилотных летательных аппаратов // Geomatics. 2013. №4. C. 27 - 31.
2. Иноземцев Д.П. Беспилотные летательные аппараты: теория и практика // Технологии. 2013. C. 50 - 54.
3. Salychev O.S. Applied Inertial Navigation: Problems and Solutions. M.:BMSTU Press, 2004. 304 p.
4. Barton J. Fundamentals of Small Unmanned Aircraft Flight // Johns Hopkins APL Technical Digest. 2012. Vol. 31. N. 2. P. 132 - 149.
5. Михалев И. А., Окоемов. Б.Н., Чикулаев М.С. Системы автоматического управления самолетом. 2-е изд., перераб. и доп. М: Машиностроение, 1987. 240 с.
6. Лебедев А. А., Чернобровкин Л.С. Динамика полета беспилотных летательных аппаратов: учеб. пособие для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. М: Машиностроение, 1973. 616 с.
Щербинин Виктор Викторович, д-р техн. наук, нач. научно-технического, [email protected], Россия, Москва, АО ««Центральный научно-исследовательский институт автоматики и гидравлкики»,
Кветкин Георгий Алексеевич, канд. техн. наук, нач. лаборатории, [email protected], Россия, Москва, АО ««Центральный научно-исследовательский институт автоматики и гидравлкики»,
Зиновьев Петр Дмитриевич, инженер, zinovyev.p. d@,gmail. com, Россия, Москва, АО «Центральный научно-исследовательский институт автоматики и гидравлкики»
DEVELOPMENT OF COMPREHENSIVE INTEGRA TED A UTOMA TIC CONTROL SYSTEM INCL UDING RADIOTECHNICAL LOCAL NA VIGA TION SYSTEM FOR UNMANNED AERIAL VEHICLE PROBLEM FORMULATION
V. V. Scherbinin, G.A. Kvetkin, P.D. Zinovyev 66
System problems, their solutions and the application domain of the system are considered. A simplified system structure is organized.
Key words: automatic control system, UA V, radiotechnical navigation system.
Scherbinin Victor Victorovich, doctor of technical sciences, Head of research department, cniiag a cniiag. ru, Russia, Moscow, Joint-Stock-Company "Central Research Institute of Automatics and Hydraulics",
Kvetkin Georgiy Alekseevich, candidate of technical science, head of laboratory, cniiag®,cniiag.ru, Russia, Moscow, Joint-Stock-Company "Central Research Institute of Automatics and Hydraulics",
Zinovyev Petr Dmitrtievich, engineer, zinovyev.p. dagmail. com, Russia, Moscow, Joint-Stock-Company "Central Research Institute of Automatics and Hydraulics "
УДК 629.7.05
ИССЛЕДОВАНИЕ ТОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СИСТЕМЫ
БЛИЖНЕЙ РАДИОНАВИГАЦИИ
В.В. Щербинин, Г. А. Кветкин, И. Л. Ажгиревич
Рассматриваются сравнительные точностные характеристики основанных на методе наименьших квадратов (МНК) алгоритмов позиционирования, применяемых в системе автоматизированной посадки, которая разрабатывается в АО «ЦНИИАГ». Рассматриваются преимущества обобщённого МНК. Подчёркнутые в статье особенности поясняются результатами экспериментальных полётов.
Ключевые слова: система посадки, радионавигация.
Посадка летательного аппарата (ЛА) является одним из наиболее сложных и аварийно-опасных этапов его полёта. При этом обеспечение лётчиков малой авиации инструментальной информацией о параметрах движения по посадочной глиссаде зачастую отсутствует ввиду неподготовленности аэродромов и отсутствия специального бортового оборудования. АО «ЦНИИАГ» разрабатывает систему автоматизированной посадки (САП), отличающуюся сравнительно невысокой стоимостью и малыми габаритами, которая позволяет осуществлять инструментальный заход ЛА в условиях ограниченной видимости.
Принцип определения координат в САП
Для вычисления координат ЛА в САП задействована система ближней радионавигации (СБРН), использующая подобно спутниковым навигационным системам (СНС) принцип трилатерации, т.е. координаты ЛА отыскиваются по измерениям дальностей от него до точек с
67
