science-review.ru
Введение
В данной статье изложен краткий обзор работ автора, аспирантов, соискателей и научных сотрудников Национального исследовательского Южно-Уральского государственного университета в рамках проблемы «Математические модели синтеза инерциальных навигационных систем». Наиболее существенные результаты работ по указанной проблеме в силу объективных и субъективных обстоятельств были получены в интервал времени с 1980 по 2010 год, что и отражено в данной обзорной статье. Решения большинства задач в рамках этой проблемыбазируются на идеях повышения точности и построения инерциальных навигационных систем (ИНС) и бесплатформенных инерциальных навигационных систем (БИНС), защищённых авторскими свидетельствами и патентами. В рамках указанной проблемы решаются задачи разработок математических, алгоритмических, программных обеспечений и имитационных моделей анализа и синтеза автономных и корректируемых ИНС и БИНС и их элементов для объектов ракетно-космического назначения.
В изобретениях [1, 2, 4,18] зафиксирована идея по способам автономного повышения точности инерциальных навигационных систем путём оптимального разворота блока неидеальных акселерометров относительно стабилизированной платформы или оптимального разворота относительно объекта неидеального блока инерциальной информации (БИИ), состоящего из трёх акселерометров и трёх датчиков угловой скорости. Критерии оптимальности разворота: минимум суммарной погрешности навигационной информации в конечный момент времени или в текущий момент времени движения объекта. При выполнении математического описания для указанных изобретений использован аппарат оптимального управления.
В изобретениях [20, 21] по способам построения инерциальных навигационных систем зафиксирована идея уменьшения количества инерциальных датчиков в системе путём принудительного вращения акселерометра относительно стабилизированной платформы или принудительного вращения относительно объекта двух датчиков, один из которых – акселерометр, второй – датчик угловой скорости. Если в дополнение к этим способам установить на оси вращения дополнительные датчики, то измеряемая ими информация и её обработкапозволит получить избыточнуюинерциальную информацию с целью использования её для повышения точности навигационной информации. Область применения таких систем ограничивается объектами с медленно-меняющимися или с программно-меняющимися кинематическими характеристиками (КХ).
В изобретениях [4, 5, 19] по инерциальным датчикам зафиксирована идея создания двухрежимных и двухфункциональных датчиков, которые либо поочерёдно, либо одновременно выдают информацию о компонентах вектора кажущегося ускорения и вектора абсолютной угловой скорости объекта. Использование этого датчика в системах, построенных согласно способам [20, 21], позволяет создать БИНС, построенную на одном таком датчике.
Далее перечислены основные направления работы в рамках рассматриваемой проблемы, исследования по которым проведены как отдельно по каждому из них, так и в сочетаниях друг с другом. Дано краткое содержание каждого направления с соответствующими ссылками на список литературы, который включает в себя, примерно, половину общего списка литературы автора и соавторов по рассматриваемой проблеме за указанный интервал времени,
Калибровка
Задача калибровки неидеальных инерциальных датчиков является актуальной в случае, когда в течение интервала времени навигации объекта необходимо повышать точность инерциальной информации путём алгоритмической компенсации погрешностей этих датчиков при условии задания их математических моделей погрешностей. В этом случае перед навигацией объекта определяют коэффициенты моделей погрешностей неидеальных инерциальных датчиков используемой ИНС на основе информации с инерциальных датчиков более точной ИНС. Так как используемая ИНС и более точная ИНС могут располагаться в разных местах относительно движущегося объекта и их БИИ могут быть по разному ориентированы относительно объекта, то задача калибровки датчиков используемой ИНС сводится к согласованию её информации с информацией более точной ИНС, а математическое описание для этой задачи включает систему алгебраических уравнений относительно определяемых коэффициентов моделей погрешностей датчиков. Результат решения задачи калибровки – это 1) алгоритм для бортового компьютера (БК) определения коэффициентов моделей погрешностей датчиков используемой ИНС на основе информации более точной ИНС и 2) определение погрешностей калибровки, если более точную ИНС нельзя полагать идеальной по сравнению с используемой [9, 63, 64, 92, 95].
Диагностика
Задача диагностики неидеальных инерциальных датчиков является актуальной в случае, когда в течение интервала времени навигации объекта могут возникать информационные нарушения в работе того или иного датчика ИНС. Датчик с недостоверной информацией необходимо своевременно распознать, отключить измеряемую им информацию от системы и переключить на получение необходимой информации с дублирующего нормально работающего датчика. Вводится критерий информационного нарушения датчика. Математическое описание для решения этой задачи выполнено с использованием нейросетевого подхода. Результат решения задачи – это имитационная модель алгоритма для БК обнаружения информационных нарушений инерциальных датчиков ИНС [8, 10, 11, 12, 14, 82].
Начальная выставка
Задачи начальной выставки БИНС заключаются в определении параметров ориентации объекта относительно Земли в начальный момент времени его навигации и в определении требований к точностным характеристикам инерциальных датчиков при заданном требовании к точности начальной выставки. Для решения этих задач выполняется математическое описание, которое включает:
1) систему алгебраических уравнений относительно параметров ориентации блока инерциальной информации (БИИ) относительно Земли, в правых частях которых – измеряемые компоненты вектора кажущегося ускорения и вектора абсолютной угловой скорости;
2) систему алгебраических уравнений относительно погрешностей параметров ориентации, в правых частях которых – погрешности указанных выше измеряемых компонент векторов. Решения этих систем доставляют решения задач начальной выставки [57, 93, 96, 97].
Функционирование
Для решения задач синтеза функционирования БИНС задаётся точка на объекте, которая далее называется полюсом, для которой осуществляется навигация объекта и являющейся началом заданной связанной с объектом системы координат, а также задаётся критерий качества функционирования БИНС. Выполняются математические описания, составляются алгоритмы, разрабатываются программы и имитационные модели получения навигационной информации об ориентации объекта (направляющих косинусах от земной системы координат к объектной системе координат), движении объекта (проекций вектора скорости полюса объекта в земной системе координат) и положении объекта (проекций радиуса-вектора полюса объекта в земной системе координат) на основе измеряемой информации с инерциальных датчиков с привлечением априорной информации о гравитационном поле Земли, вращении Земли и начальныхориентации, движении и положении объекта относительно Земли. Результаты этих исследований: 1) определение метода численного интегрирования дифференциальных уравнений функционирования БИНС, при котором удовлетворяется критерий качества; 2) определение таких характеристик БК, как объём памяти и быстродействие; 3) контроль работы алгоритма функционирования при загрузке его в БК на основе разработанной имитационной модели этого алгоритма [7, 27, 30, 32, 35, 37, 43, 51, 52, 53, 54, 55, 68, 78, 80, 87, 89, 90, 94].
Точность в узком смысле
Для решения задач точностного синтеза БИНС в узком смысле вводится критерий точности системы для данного класса объектов, задаётся информация о структуре погрешностей инерциальных датчиков, выполняется математическое описание в рамках стохастического подхода, составляются алгоритмы и разрабатываются программы с целью определения допустимыхв смысле принятого критерия точности системы погрешностей инерциальных датчиков и определения допустимых погрешностей требуемой априорной информации. Результаты этих исследований заключаются в выборе имеющихся инерциальных датчиков для БИНС с критерием точности по данному классу объектов, удовлетворяющих найденным допустимым погрешностям, или открывается вопрос о разработки новых инерциальных датчиков требуемой точности [37, 38, 40,41, 47,52, 55, 68, 84, 85, 89, 98, 99].
Точность в широком смысле
Задачи точностного синтеза БИНС в широком смысле – это задачи автономного повышения точности БИНС. Для их решения вводится критерий точности БИНС для данного класса объектов и задаётся информация о структуре погрешностей инерциальных датчиков. Критерий точности БИНС минимизируется структурно-алгоритмическими способами. Рассмотрены такие способы, как оптимальная неподвижная выставка БИИ относительно объекта, принудительное вращение БИИ относительно объекта, оптимальный разворот БИИ относительно объекта и оптимальная фильтрация информации, измеряемой БИИ. Для выполнения математических описаний использован стохастический подход и аппараты минимизации функции нескольких переменных, оптимального управления и линейной оптимальной фильтрации. Результаты решения задач – это количественные эффекты повышения точности БИНС, алгоритмы обработки информации неидеальных датчиков, минимизирующие критерий точности БИНС для указанных способов, а также параметры структуры БИНС, реализующие эти способы [6,13, 15, 23, 24, 52, 56, 58, 59, 60, 62, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71, 72, 75, 76, 77, 79, 81, 84, 101].
Коррекция
Задача коррекции БИНС актуальна в случае, если в течениеинтервала времени её автономного функционирования накопленные погрешности навигационной информации в смысле принятого критерия точности превышают допустимые значения. В этом случае используют неавтономные средства для доставки в заданные моменты времени в БК БИНС более точной навигационной информации, отбрасывая при этом навигационную информацию с накопленными погрешностями. Неавтономные средства – это астронавигационная система (АНС) и (или) спутниковая навигационная система (СНС). Для математического описания функционирования БИНС с коррекцией от АНС и (или) СНС используется аппарат оценивания переменных навигационной информации на основе методов линейной оптимальной фильтрации. Синтез функционирования корректируемой БИНС заключается в разработке имитационной модели алгоритма корректируемого функционирования и определения требований к объёму памяти и быстродействию БК, которые будут более жёсткими по сравнению с аналогичными требованиями к БК автономной БИНС. Точностный синтез корректируемой БИНС заключается в определении требований и к погрешностям БИИ, и к погрешностям информации, получаемой от АНС и (или) СНС [16, 17, 25, 26, 28, 29, 31, 33, 34, 36, 83, 88, 100].
Динамика и МГХ объекта
Целью исследования динамики объекта, для навигации которого разрабатывается БИНС, является получение имитационных моделей инерциальных датчиков БИНС на основе информации о моментно-силовых характеристиках (МСХ), массо-геометрических характеристиках (МГХ) и начальных условиях об ориентации, движении и положении объекта относительно Земли. БИНС генерирует информацию о кинематических характеристиках (КХ) объекта для системы управления этим объектом. Реальные объекты ракетно-космического назначения в общем случае имеют переменные во времени МГХ: массу, три проекции радиуса-вектора центра масс, три осевых и три центробежных момента инерции в связанной с объектом системе координат. Качественное управление объектом зависит от величин указанных МГХ. Поэтому актуальной является задача определения переменных во времени МГХ объекта. При условии наличия информации об МСХ объекта показано, что задача определения его МГХ имеет решение. Выполнение математического описания для её решения базируется на уравнениях динамики объекта, переписанных в виде систем дифференциальных уравнений относительно переменных МГХ, в правые части которых входят КХ объекта, получаемые от БИНС и заданные его МСХ. Набор указанных уравнений с присоединением уравнений функционирования БИНС и их решения с учётом некоторых особенностей обеспечивают решения рассматриваемой задачи. Следует отметить, что решение этой задачи требует дополнительных вычислительных ресурсов, которые для современных БК являются реальными. Другими словами, повышение качества управления объектом покупается ужесточением требований к БК. Если такие требования окажутся реальными и могут быть ещё жёстче, то при априорно заданных программно-меняющихся МГХ объекта для решения рассматриваемой задачи может быть использован математический аппарат теории линейной оптимальной фильтрации для оценивания переменных МГХ с целью повышения точности их определения [22, 39, 42, 44, 45, 46, 48, 49, 50, 61, 73, 74, 86, 91].
Заключение
1. Разработки по способам автономного повышения точности ИНС путём оптимального разворота БИИ относительно объекта использованы при создании систем управления БРПЛ и обеспечили эффект повышения точности до 50%, за счёт чего был сэкономлен испытательный пуск БРПЛ в 1990 г. и в дальнейшем этот способ был использован при создании систем управления указанными объектами.
2. Математическое, алгоритмическое и программное обеспечение синтеза БИНС используется для поддержки принятия решений при разработке этих систем на предприятиях НПО автоматики (г. Екатеринбург), Хартрон (г. Харьков), Ижевский механический завод (г. Ижевск), Миасский электромеханический НИИ (г. Миасс Челябинской области), а также в преподавании профильных дисциплин учебного процесса кафедр приборостроения и систем управления Национального исследовательского Южно-Уральского государственного университета.
3. В работе по рассматриваемой проблеме приняли участие 67 сотрудников (47 – из Национального исследовательского Южно-Уральского государственного университета, остальные – из других организаций РФ), в том числе 6 докторов технических наук и 17 кандидатов технических наук.
4. Опубликованы 222работы, в том числе 13 патентов и авторских свидетельств на изобретения, 8 свидетельств о регистрации электронных ресурсов, 12 монографий и учебных пособий, 143 статьи в сборниках научных трудов вузов и профильных НПО и НИИ,46 отчётов о НИР, из которых 6 – по грантам Министерства образования и науки РФ, остальные по заказам профильных предприятий.
5. Защищены пять кандидатских диссертаций, выполненных под научным руководством автора данной обзорной статьи: получили дипломы кандидатов технических наук Шафранюк А.В., Хаютин А.М., Шалимов Л.Н., Кондратов А.А., Деева А.С. Эти учёные в настоящее время продолжают работы по рассматриваемой проблеме.
6. Наиболее перспективные направления дальнейших исследований по проблеме, по мнению автора, – это работы по решению задач указанного выше раздела «Динамика и МГХ объекта», конечным результатом которых является повышение качества управления движением высокоскоростных и высокоманевренных объектов путём расширения функциональных возможностей автономных БИНСпри использовании современных достижений инерциальных и компьютерных технологий с учётом дополнительной априорной информации о характеристиках таких объектов.
Южно-Уральский государственный университет https://susu.ru
Библиографическая ссылка
Щипицын А.Г. ЗАДАЧИ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ИНЕРЦИАЛЬНЫХ НАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ // Научное обозрение. Технические науки. – 2016. – № 3. – С. 130-137;URL: https://science-engineering.ru/ru/article/view?id=1097 (дата обращения: 19.04.2024).