Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2018, № 3
научный журнал
Покупка
Тематика:
Машиностроение. Приборостроение
Издательство:
Тульский государственный университет
Год издания: 2018
Кол-во страниц: 123
Дополнительно
Тематика:
ББК:
- 312: Электроэнергетика. Электротехника
- 3297: Вычислительная техника
- 34: Технология металлов. Машиностроение. Приборостроение
УДК:
- 620: Испытания материалов. Товароведение. Силовые станции. Общая энергетика
- 621: Общее машиностроение. Ядерная техника. Электротехника. Технология машиностроения в целом
- 681: Точная механика. Автоматика. Приборостроение
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Тульский государственный университет» 16+ ISSN 2071-6168 ИЗВЕСТИЯ ТУЛЬСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ Выпуск 3 Тула Издательство ТулГУ 2018
РЕДАКЦИОННЫЙ СОВЕТ: ISSN 2071-6168 Председатель Грязев М.В., д-р техн. наук, проф., ректор Тульского государственного университета. Заместитель председателя Кухарь В.Д., д-р техн. наук, проф., проректор по научной работе. Ответственный секретарь Ивутин А.Н., канд. техн. наук, доц., начальник Управления научно-исследовательских работ. Главный редактор Прейс В.В., д-р техн. наук, проф., заведующий кафедрой. Члены редакционного совета: Батанина И.А., д-р полит. наук, проф., – отв. редактор серии «Гуманитарные науки»; Берестнев М.А., канд. юрид. наук, доц., – отв. редактор серии «Экономические и юридические науки». Часть 2. «Юридические науки»; Борискин О.И., д-р техн. наук, проф., – отв. редактор серии «Технические науки»; Егоров В.Н., канд. пед. наук, доц., – отв. редактор серии «Физическая культура. Спорт»; Заславская О.В., д-р пед. наук, проф., – отв. редактор серии «Педагогика»; Качурин Н.М., д-р техн. наук, проф., – отв. редактор серии «Науки о Земле»; Понаморева О.Н., д-р хим. наук, доц., – отв. редактор серии «Естественные науки»; Сабинина А.Л., д-р экон. наук, доц., – отв. редактор серии «Экономические и юридические науки». Часть 1. «Экономические науки». РЕДАКЦИОННАЯ КОЛЛЕГИЯ: Ответственный редактор Борискин О.И., д-р техн. наук (ТулГУ, г. Тула). Заместитель ответственного редактора Ларин С.Н., д-р техн. наук (ТулГУ, г. Тула). Ответственный секретарь Яковлев Б.С., канд. техн. наук (ТулГУ, г. Тула). Члены редакционной коллегии: Александров А.Ю., д-р техн. наук (Ковровская государственная технологическая академия им. В.А. Дегтярева, г. Ковров); Баласанян Б.С., д-р техн. наук (Государственный инженерный университет Армении, г. Ереван, Армения); Васин С.А., д-р техн. наук (ТулГУ, г. Тула); Дмитриев А.М., д-р техн. наук (Московский государственный технический университет «СТАНКИН», г. Москва); Запомель Я., д-р техн. наук (Технический университет Остравы, г. Острава, Чехия); Ковалев Р.А., д-р техн. наук (ТулГУ, г. Тула); Колтунович Т.Н., д-р техн. наук (Люблинский технологический университет, г. Люблин, Польша); Кристаль М.Г., д-р техн. наук (Волгоградский государственный технический университет, г. Волгоград); Ларкин Е.В., д-р техн. наук (ТулГУ, г. Тула) Мельников В.Е., д-р техн. наук (Национальный исследовательский университет «МАИ», г. Москва); Мещеряков В.Н., д-р техн. наук (Липецкий государственный технический университет, г. Липецк); Мозжечков В.А., д-р техн. наук (АО «Тулаэлектропривод», г. Тула); Распопов В.Я., д-р техн. наук (ТулГУ, г. Тула); Савин Л.А., д-р техн. наук (Орловский государственный технический университет, г. Орел); Семилет В.В., д-р техн. наук (АО Конструкторское бюро приборостроения», г. Тула); Сорокин П.А., д-р техн. наук (Российский университет транспорта «МИИТ», г. Москва); Степанов В.М., д-р техн. наук (ТулГУ, г. Тула); Сычугов А.А., канд. техн. наук (ТулГУ, г. Тула); Чуков А.Н., д-р техн. наук (ТулГУ, г. Тула); Яцун С.Ф., д-р техн. наук (Юго-Западный государственный университет, г. Курск). Сборник зарегистрирован в Федеральной службе по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор). ПИ № ФС77-61104 от 19 марта 2015 г. Подписной индекс сборника 27851 по Объединённому каталогу «Пресса России». Сборник включен в «Перечень рецензируемых научных изданий, в которых должны быть опубликованы научные результаты диссертаций на соискание учёной степени кандидата наук, на соискание учёной степени доктора наук», утвержденный ВАК Минобрнауки РФ. © Авторы научных статей, 2018 © Издательство ТулГУ, 2018
Системный анализ, управление и обработка информации 3 СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ, УПРАВЛЕНИЕ И ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ УДК 629.7.05 КОРРЕКЦИЯ АЗИМУТАЛЬНОЙ ОШИБКИ БЕСПЛАТФОРМЕННОЙ ИНЕРЦИАЛЬНОЙ НАВИГАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ С ПОМОЩЬЮ РАДИОТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ЛОКАЛЬНОЙ НАВИГАЦИИ В.В. Щербинин, Г.А. Кветкин, А.В. Измайлов-Перкин, И.Л. Ажгиревич Предложены способ определения курса с помощью радиотехнической системы локальной навигации, а также способ коррекции соответствующей ошибки БИНС как части интегрированной радиоинерциальной навигационной системы. Приведены результаты камеральной обработки экспериментальных данных, на основании чего сделаны выводы о точности такой коррекции и предложены геометрические требования к объекту навигации. Ключевые слова: радиотехническая система локальной навигации, радионавигация. В настоящее время бесплатформенные инерциальные навигационные системы (БИНС) являются основным навигационным средством большинства морских и воздушных судов, а также широко распространены на сухопутном транспорте. Однако их использование сопряжено с принципиальным ограничением, свойственным БИНС по природе, – непрерывным накоплением ошибок определения координат и углов ориентации, в том числе и курса. В связи с этим широкое распространение получили интегрированные навигационные системы, в которых показания БИНС корректируются с использованием информации внешних, более достоверных источников. Такими источниками зачастую служат глобальные навигационные спутниковые системы (ГНСС), а при повышенных требованиях к автономности интегрированных систем в качестве корректирующей системы может выступать, например, допплеровский измеритель скорости и угла сноса для воздушного судна: лаг – для морского или одометр – для сухопутного объекта.
Известия ТулГУ. Технические науки. 2018. Вып. 3 4 В АО «ЦНИИАГ» проведена работа по созданию интегрированной радиоинерциальной навигационной системы, основанной на комплексировании низкоточной БИНС на микромеханических элементах и радиотехнической системы локальной навигации (РТСЛН). Последняя является радиодальномерной навигационной системой и включает в себя как бортовой, так и наземный сегменты оборудования. Наземный сегмент оборудования включает от четырёх до восьми компактных переносных наземных радиомаяков (НРМ), в состав которых входят радиоэлектронный модуль (РЭМ), ответчик с антенным устройством (АУ) и блоком питания (БП), представленные на рис. 1. Рис. 1. Общий вид НРМ Количество НРМ и их расположение на местности зависят от необходимой площади формируемого искусственного радионавигационного поля, рельефа местности, а также от наличия препятствий для радиодальномерных измерений (ангар, здание, забор и пр.). Бортовой сегмент представляет собой РЭМ-запросчик с малогабаритным антенным устройством и преобразователь электропитания. Принцип расчёта координат в РТСЛН. Определение навигационных параметров в РТСЛН происходит с использованием метода мультилатерации, в основу которого положен метод наименьших квадратов. Зная координаты НРМ и измеряя дальности до них, возможно определить местоположение объекта [1 – 5]. К достоинствам данной системы можно отнести то, что она определяет местоположение объекта в той же системе координат, в которой привязаны НРМ. В данной статье используется локальная географическая система координат (OE0N0Up0), начало которой совпадает с некой характерной точкой, ось E направлена на восток, ось N направлена на север, Up – по местной вертикали. Исследование точности автономного решения РТСЛН приведено в [1], где отмечается, что непосредственно использовать координаты, выработанные РТСЛН, затруднительно.
Системный анализ Комплексирование венны ошибки, носящие разнородный рованный шум (РТСЛН) и позволяет построить комплексированную ки были бы скомпенсированы РТСЛН позволяет существенно В работах [2 – 4] связанной схеме, в которой компенсируется, что приводит коррекции показаний БИНС оси навигационной системы мируемый в вычислителе БИНС рые рассогласованы по углу нием по другим углам в данной в определении координат точникам информации в навигационной пенсируются в платформенной ной компенсации накапливается торая входит в комплексное по координатам автономной а К – результат комплексирования Рис. 2. К определению В условиях роста БИНС/РТСЛН происходит меньшей скоростью, чем в Системный анализ, управление и обработка информации 5 омплексирование БИНС и РТСЛН. Данным системам носящие разнородный характер: высокочастотный РТСЛН) и достаточно монотонная функция построить комплексированную систему, в которой скомпенсированы: высокая частота выработки позволяет существенно ослабить требования к точности 4] рассмотрена такая система, построенная в которой ошибка навигационного решения компенсируется что приводит к существенному снижению эффективности показаний БИНС с течением времени. На рис. 2 навигационной системы координат (СК) (ОEНNНUpН) и ее вычислителе БИНС – платформенная СК (ОEпл рассогласованы по углу курса на величину ошибки ψ ∆ другим углам в данной постановке задачи пренебрежем координат ( N E, ∆ ∆ ) БИНС оцениваются по внешним информации в навигационной системе координат платформенной пл rr δ . Таким образом, в результате компенсации накапливается ошибка навигационного решения комплексное решение. Символом А обозначено координатам автономной БИНС, символом И – истинные результат комплексирования. определению ошибки комплексного решения условиях роста курсовой ошибки в комплексном происходит рост и ошибки определения координат чем в автономной БИНС. Это приводит информации Данным системам свойствысокочастотный центри монотонная функция (БИНС). Это в которой их недостат частота выработки решения требования к точности БИНС. роенная по слабо навигационного решения по курсу не снижению эффективности На рис. 2 изображены ) и ее образ, фор плNплUpпл), котоψ (рассогласова пренебрежем). Ошибки оцениваются по внешним ис координат Н rr δ , но ком в результате непол навигационного решения ψ δrr , ко обозначено решение истинные координаты, комплексного решения комплексном решении определения координат, хотя и с Это приводит к тому, что
Известия ТулГУ время работы БИНС при данном а для преодоления данного формацию и об угле курса Схема измерения ГНСС [6] исследованы способы полагающие измерение координат дующим нивелированием для оценки с помощью РТСЛН сти. Для этого на носителе друга два РЭМ-запросчика наты РЭМ-запросчиков определяются времени. Указанную схему Рис. 3. Схема измерения Для простоты рассмотрим наты 1 и 2 РМ-запросчика теля может быть сведена 1 2 P - P P = ∆ для случая, если ля. Точность определения имущественно двумя фактор запросчиков к носителю и ординат. Методическую составляющую направлений продольной оси сматривать ввиду возможности Дисперсию оценки но определить как Известия ТулГУ. Технические науки. 2018. Вып. 3 6 БИНС при данном типе коррекции существенно преодоления данного ограничения требуется получать внешнюю угле курса носителя. измерения угла курса с помощью РТСЛН исследованы способы оценки углов ориентации носителя измерение координат двух связанных с ним точек нивелированием. Аналогичная схема может быть использована помощью РТСЛН курса носителей достаточной этого на носителе размещаются на некотором удалении запросчика, при этом неявно предполагается запросчиков определяются по отношению к одному ю схему поясняет рис. 3. Схема измерения курса носителя с помощью РТСЛН простоты рассмотрим плоскую задачу: пусть 1 P запросчика соответственно. Задача определения быть сведена к задаче определения ориентации для случая, если точка 2 P находится в передней части Точность определения курса по данному способу ограничена двумя факторами: точностью привязки координат носителю и точностью непосредственно определения Методическую составляющую, связанную с рассогласованием продольной оси носителя и вектора P ∆ , допустимо ввиду возможности её полной алгоритмической компенсации Дисперсию оценки координат вектора P ∆ с помощью РТСЛН [ ] [ ] [ ] 2 1 P D P P + = ∆ D D , существенно ограничено, получать внешнюю ин РТСЛН. В работах по ориентации носителя, пред связанных с ним точек с после может быть использована достаточной протяжённо некотором удалении друг от предполагается, что коорди отношению к одному моменту помощью РТСЛН и 2 P – коорди определения курса носи определения ориентации вектора передней части носите способу ограничена пре привязки координат РМ непосредственно определения их ко связанную с рассогласованием допустимо не рас алгоритмической компенсации. помощью РТСЛН мож
Системный анализ иными словами, принимая динат РЭМ-запросчиков и ми коллизий при конкурентных Результаты моделирования казателей системы допустимо предшествующей отработки Предположим, что разованного РМ-ответчиками него. Также для простоты положим, что движение носителя курсу с постоянной угловой рости. Тогда вырабатываемый запросчиков, размещённых = 2 1 r r r r где [ ]T i i N E r = r – радиус РЭМ-запросчика, находящегося ошибка определения координат В работах [1, 5] ного шума, который также ся во времени и в связи с движением (а также её нарушения) между На рис. 4 приведена ординат, в которой СКО наложенного Рис. 4. Ошибка опр Для проведения моделирования запросчиков были наложены оценивался по полученной разнесены друг от друга на Системный анализ, управление и обработка информации 7 словами принимая некоррелированный характер оценивания запросчиков и пренебрегая ввиду несущественности при конкурентных запросах. Результаты моделирования. Для подтверждения точностных системы допустимо использовать данные, накопленные предшествующей отработки РТСЛН, в частности, на наземном Предположим, что носитель движется внутри многоугольника ответчиками, которые находятся на удалении для простоты, но не нарушая дополнительно общности жение носителя представляет собой плавный постоянной угловой скоростью в отсутствие поступательной вырабатываемый РТСЛН закон изменения координат размещённых на носителе, имеет следующий вид δ δ + = δ δ + 2 1 2 10 2 1 2 1 ) ( r r И r r И t r r r r r r r r r r r r , радиус-вектор i-го РЭМ-запросчика; 10 rr запросчика находящегося в неподвижной точке носителя определения координат РТСЛН. показано, что ri δ r имеют характер нецентрирова который также не является стационарным ввиду изменяющи и в связи с движением носителя условиями радиовидимости между РЭМ-запросчиком и РЭМ-отве приведена типичная реализация ошибки определения которой СКО наложенного шума составляет 1,8 м Ошибка определения координат с помощью РТСЛН проведения моделирования на истинные координаты были наложены соответствующие ошибки, а курс полученной выборке в предположении, что РМ от друга на 100 м. информации характер оценивания коорнесущественности эффекта подтверждения точностных по данные накопленные в ходе на наземном объекте [5]. внутри многоугольника, об на удалении ~10 км от дополнительно общности, пред собой плавный разворот по отсутствие поступательной ско изменения координат РЭМследующий вид: 10 – координаты точке носителя; ri δ r – характер нецентрирован стационарным ввиду изменяющих условиями радиовидимости ответчиком. ошибки определения ко составляет 1,8 м. помощью РТСЛН истинные координаты РЭМ ошибки, а курс носителя предположении что РМ-запросчики
Известия ТулГУ На рис. 5 изображены «Координаты РЭМ2», которые ных координат («Начало венно). Угол рассогласования мальную ошибку по курсу вает из начала координат на положение, определенное ошибка оценивания курса Рис. 5. Результаты моделирования Зависимость ошибки приведена на рис. 6. Рис. По итогам моделирования деления курса составило порядка Известия ТулГУ. Технические науки. 2018. Вып. 3 8 изображены два облака точек «Координаты , которые показывают результат зашумления координат Начало отсчёта» и «Эталонная траектория рассогласования между двумя стрелками изображает ошибку по курсу, полученную в выборке: одна из стрелок координат на точку эталонной траектории, а другая определенное РТСЛН с ошибкой. Угол между оценивания курса. Результаты моделирования измерений координат Зависимость ошибки определения курса от времени моделирования . 6. Ошибка определения курса итогам моделирования математическое ожидание ошибки составило порядка 0,08° с СКО 0,1°. Координаты РЭМ1» и льтат зашумления эталон траектория» соответст стрелками изображает макси одна из стрелок указы траектории, а другая – на ее Угол между ними и есть координат РТСЛН времени моделирования ожидание ошибки опре
Системный анализ, управление и обработка информации 9 Компенсация ошибки БИНС. В [7] представлен алгоритм интегрированной навигационной системы, в которой в качестве системы коррекции используется GPS. Полученная в настоящей работе оценка курса РТСЛН может быть непосредственно использована в алгоритме БИНС для расчёта угловой скорости коррекции, используемой для управления ориентацией платформенной системы координат: ( ) РТСЛН БИНС ψ − ψ − = ω k Up , где k – коэффициент коррекции; БИНС ψ – курс, определяемый автономной БИНС; РТСЛН ψ – курс, определяемый РТСЛН. Рис. 7 иллюстрирует результат коррекции предложенным способом автономного решения БИНС по курсу, полученного в одном из экспериментов. График «БИНС» показывает ошибку автономного решения БИНС, «РТСЛН» – ошибку определения курса с помощью РТСЛН, а «Компл. решение» – ошибку курса БИНС, скорректированной по РТСЛН. Таким образом, за время 5-минутного эксперимента ошибка определения угла курса с помощью автономной БИНС составила порядка 2°, а с учетом коррекции по курсу, выдаваемому РТСЛН, ошибка не превысила 0,1°, причем в данных показаниях устранен тренд роста ошибки с течением времени. Рис. 7. Результат коррекции курса БИНС по измерениям РТСЛН Заключение. В статье представлен способ компенсации ошибки БИНС по курсу по измерениям РТСЛН. Эффективность коррекции продемонстрирована на примере использования низкоточной БИНС: быстро нарастающую ошибку курса удается скомпенсировать, что обеспечивает по
Известия ТулГУ. Технические науки. 2018. Вып. 3 10 вышение точности комплексного решения. При моделировании на 5минутном интервале ошибку автономной БИНС, составляющую порядка 2°, удается снизить до 0,1°. Список литературы 1. Щербинин В.В., Кветкин Г.А., Ажгиревич И.Л. Исследование точностных характеристик системы ближней радионавигации // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2016. Вып. 11. Ч. 3. С. 67 – 74. 2. Щербинин В.В., Свиязов А.В., Кветкин Г.А. Результаты лётных испытаний макета автономного навигационного комплекса ДПЛА // Известия ЮФУ. Технические науки. 2015. №1 (162). С. 6 – 13. 3. Смирнов С.В., Измайлов-Перкин А.В. Программная реализация алгоритма функционирования автономной системы ближней радионавигации для автоматизированной системы посадки // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2016. Вып. 6. С. 45 – 55. 4. Автономный навигационный комплекс для роботизированных наземных и летательных аппаратов / В.В. Щербинин, А.В. Свиязов, С.В. Смирнов, Г.А. Кветкин // Известия ЮФУ. Технические науки. 2014. №3. (152). С. 234 – 243. 5. Исследование точностных характеристик автономной системы ближней радионавигации при использовании на стационарном объекте / В.В. Щербинин, Г.А. Кветкин, А.В. Измайлов-Перкин, Е.В. Шевцова // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2016. Вып. 11 Ч. 3. С. 53 – 60. 6. Перов А.И., Харисов В.Н. (ред.). ГЛОНАСС. Принципы построения и функционирования. 4-е изд., перераб. и доп., М.: Радиотехника, 2010. 800 с. 7. Salychev O.S. Applied Inertial Navigation: Problems and Solutions. BMSTU Press, 2004. Щербинин Виктор Викторович, д-р техн. наук, нач. научно-технического отделения, cniiag@cniiag.ru, Россия, Москва, АО «Центральный научноисследовательский институт автоматики и гидравлики», Кветкин Георгий Алексеевич, канд. техн. наук, нач. лаборатории, cniiag@cniiag.ru, Россия, Москва, АО «Центральный научно-исследовательский институт автоматики и гидравлики», Измайлов-Перкин Александр Викторович, инженер, cniiag@cniiag.ru, Россия, Москва, АО «Центральный научно-исследовательский институт автоматики и гидравлики»,