Комплексирование радиотехнических систем управления с другими информационными датчиками

Москва
Горячая линия – Телеком 
2023

Рекомендовано Редакционно-издательским советом 
федерального государственного бюджетного 
образовательного учреждения высшего образования 
«Московский авиационный институт 
(национальный исследовательский университет)» в 
качестве учебного пособия  

 

 

УДК 621.396.93/.96 (076.5) 
ББК 32.84 
    В61 

Р е ц е н з е н т ы:  

зам. начальника центра ц13 АО «Российские космические  
системы», доктор техн. наук, профессор  В. В. Бетанов; 

кафедра информационной безопасности  
ГБОУ ВО МО «Технологический университет» 

 

Вовасов В. Е., Герко С. А. 

В61          Комплексирование радиотехнических систем управления  
с другими информационными датчиками. Учебное пособие для 
вузов. – М.: Горячая линия – Телеком, 2023. – 242 с.: ил. 
ISBN 978-5-9912-0860-4. 

Проанализированы существующие системы инерциальной навигации и 
перспективы их развития. Приведены типы, состав и характеристики устройств и систем, содержащих интегрированную навигационно-спутниковую навигационную систему (ИНС/СНС). Описаны области применения ИНС/СНС в 
системах БПЛА, высокоточной аэрофотосъёмки, на автотранспорте, в системах управления ориентацией космических аппаратов. Рассмотрено решение задач навигации и ориентации автономными системами, определение координат 
транспортного средства по данным спутниковых измерений и измерений инерциального блока. 

Для студентов вузов, обучающихся по специальностям: 24.03.02 – «Системы управления движением и навигация», 24.05.01 – «Проектирование, производство и эксплуатация ракет и ракетно-космических комплексов», 24.05.06 – 
«Системы управления летательными аппаратами», 24.05.05.C5 – «Приборы и 
измерительно-вычислительные комплексы ЛА», 11.05.01 – «Радиоэлектронные 
системы и комплексы», будет полезно аспирантам и специалистам в области 
радионавигации. 

ББК 32.84 

 

Адрес издательства в Интернет WWW.TECHBOOK.RU 

 

Тиражирование книги начато в 2020 г. 

 

Все права защищены. 

Любая часть этого издания не может быть воспроизведена  

в какой бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами  

без письменного разрешения правообладателя. 

 

© ООО «Научно-техническое издательство «Горячая линия – Телеком» 

www.techbook.ru 

©  В.Е. Вовасов, С.А. Герко 

 

ПРЕДИСЛОВИЕ

Комплексирование радиотехнических систем управления подразумевает применение интегрированных навигационных систем,
таких как инерциальные, спутниковые навигационные системы, магнитные и т. д.
Интегрированные
инерциально-спутниковые
навигационные
системы (ИНС/СНС) представляют собой перспективный класс современных навигационных систем.
ИНС/СНС — это синтез двух
самостоятельных систем — инерциальной навигационной системы и
спутниковой навигационной системы, позволяющий объединить достоинства и скомпенсировать недостатки, присущие каждой из систем в отдельности. Поэтому именно этому направлению посвящен
основной материал учебного пособия.
Достоинствами ИНС являются непрерывная динамичная выдача пользователю полного навигационного решения (координаты,
скорость, ускорения, угловая ориентация), возможность выдачи информации с высокой частотой, независимость от внешних источников информации. ИНС обладают существенным недостатком —
ошибка в определении навигационных параметров накапливается
с течением времени, а точность выходной информации зависит от
точности чувствительных элементов.
B качестве чувствительных
элементов применяются прецизионные дорогостоящие гироскопы и
акселерометры, которые сильно усложняют и удорожают систему.
Для повышения долговременной точности необходимо периодически корректировать данные ИНС по показаниям внешних приборов.
Это стало предпосылкой разработки алгоритмов интеграции ИНС
и СНС.
ИНС/СНС обладают рядом преимуществ и перед широко распространенными спутниковыми навигационными системами — они
позволяют определять угловую ориентацию объекта, работают в
условиях отсутствия сигнала ГНСС и выдают навигационную информацию с высокой частотой.
Основой работы ИНС/СНС является специальный алгоритм обработки информации, как правило, использующий калмановскую
фильтрацию, позволяющий создавать интегрированные системы,
сочетающие точные и функциональные характеристики с невысокой стоимостью, малыми габаритами и надежностью.

Предисловие

В настоящее время в интегрированных ИНС/СНС появляется
возможность использовать недорогие ИНС, построенные на чувствительных элементах, изготовляемых с использованием МЭМС-технологий.
Можно с уверенностью сказать, что применение МЭМСтехнологий позволило осуществить прорыв в создании современных
интегрированных навигационных систем.
Настоящее учебное пособие посвящено изучению как инерциальных, так и интегрированных ИНС/СНС.
Главная цель книги — изложить комплексирование измерений
ИНС и СНС через фильтрацию Калмана. С этой целью кратко рассматриваются элементы теории оценивания, приводятся уравнения
дискретного фильтра Калмана и уравнения нелинейного фильтра —
фильтра калмановского типа, кратко рассматривается адаптивная
фильтрация.
В учебном пособии приведены существующие и перспективные
как инерционные, так и интегрированные навигационные системы
для широкого класса приложений. На конкретных примерах рассмотрены и проанализированы существующие интегрированные системы навигации.

Анализ существующих систем
инерциальной навигации

1.1. Инерциальная навигационная система

Инерциальная навигация — это метод определения координат,
скорости и угловой ориентации объекта на основе измерения и интегрирования его ускорения. Основной особенностью инерциальной
навигации является выдача навигационной информации автономно — без привлечения внешних источников информации (сигналов
со спутников или радиомаяков).
Сущность инерциальной навигации состоит в определении ускорения объекта и его угловых скоростей при помощи установленных на движущемся объекте приборов и устройств, а по этим данным — местоположения (координат) этого объекта, его курса, скорости, пройденного пути и др., а также в определении параметров,
необходимых для стабилизации объекта и автоматического управления его движением.
Введем необходимые термины и пояснения для понимания инерциальной навигации.
Командно-измерительные приборы (КИП) — комплекс приборов, используемых в системах управления полетом и прицеливания ракет. КИП предназначены для измерения параметров движения ракеты и выработки управляющих (командных) сигналов, а
также определения азимутальной ориентации ракеты перед началом
ее движения. Широкое применение в КИП нашли акселерометры
(ньютонометры) и гироскопические приборы. B состав КИП в ряде
случаев входят приборы и задающие устройства, вырабатывающие
требуемые (программные) значения измеряемых параметров.
Гироскопический прибор (гироприбор — ГП) — прибор, построенный на основе одного или нескольких гироскопов. ГП в составе
командно-измерительных приборов используются для задания углового положения ракеты в полете, измерения параметров ее углового
и линейного движения, стабилизации углового положения различных приборов и устройств на подвижном основании. Кроме того,
они используются для определения азимутальных направлений при
прицеливании ракет.

Г л а в а 1

Рис. 1.1. Пример механического роторного гироскопа

Гиростабилизированная платформа (ГСП) — стабилизированное с помощью гироскопов твердое тело, заключенное в карданов
подвес и сохраняющее неизменное положение в инерциальном пространстве. На ГСП устанавливаются различного рода измерительные
устройства (акселерометр, гироинтегратор, датчик угловой скорости). ГСП является основным элементом гироскопических приборов,
используемых в инерциальных системах управления ракет и системах инерциальной навигации.
Карданов подвес (КП) — система твердых тел (рамок, колец),
соединенных одноосными шарнирами. КП ограничивает поступательное движение заключенного в него твердого тела (платформы)
и обеспечивает свободу его угловых движений.
КП используется
в конструкциях различного рода гироскопических устройств (гиростабилизированной платформы, гироскопический стабилизатор,
командно-измерительные приборы).
Гироскоп (гиро — круг, скоп — наблюдаю) — первоначально
(1852, Л. Фуко) прибор для наблюдения вращения Земли), используется для измерения параметров, главным образом углового движения объектов (ракета, самолет, танк, космический аппарат (KA)
и т. п.). Наиболее распространены механические роторные гироскопы (рис. 1.1), представляющие собой быстровращающийся ротор 1,
установленный в специальный подвес 2, 3, позволяющий оси собственного вращения ротора (главной оси гироскопа) изменять свое положение относительно основания 4 и относительно неподвижного
пространства.
Акселерометр — прибор (рис. 1.2), измеряющий проекцию кажущегося ускорения (позиционный акселерометр) или кажущейся
скорости (интегрирующий акселерометр) на его ось чувствительности.

Анализ существующих систем инерциальной навигации
7

Рис. 1.2. Пример маятникового акселерометра

Кажущееся ускорение — геометрическая разность между действительным (истинным) ускорением объекта W и ускорением силы
земного притяжения g: Wk = W −g. Движение объекта (ракета, КА,
самолет и т. п.) происходит под действием сил негравитационного
происхождения (сила тяги реактивного двигателя P, силы аэродинамического сопротивления Q и т. п.) и гравитационных сил притяжения G к Земле или другой планете. Кажущееся ускорение
обусловлено всеми внешними силами, кроме силы земного притяжения. При удалении объекта от Земли (активный участок траектории) ускорение g < 0 направлено к центру Земли и Wk = W +g.
Кажущееся ускорение равно нулю в условиях невесомости и практически при свободном движении ракеты на пассивном участке траектории в разреженных областях атмосферы.
Гироскопический стабилизатор (ГС) — гироскопическое устройство, предназначенное для стабилизации различных объектов
(акселерометры инерциальных навигационных систем, головки самонаведения, телескопы астронавигационных систем, танковые орудия и т. п.) на движущимся объекте. Чувствительными элементами ГС являются двухстепенные или трехстепенные гироскопы. Существуют одно-, двух- и трехосные ГС.
Гироскопическая система координат (ГСК)
— система ортогональных осей (трехгранник), связанная с одним из элементов
гироскопического прибора (например, с гироплатформой) и ориентация которой принимается в качестве ориентации гироскопической
системы или ее части в пространстве. Относительно ГСК определяется угловое положение подвижного объекта (угловые координаты).
ГСК используется при расчете управления полетом ракеты.
Инерциальная навигация осуществляется при помощи:
• датчиков линейного ускорения — акселерометров;

Г л а в а 1

Рис. 1.3. Принципиальная схема инерциальной системы навигации: 1, 6,
12 — двигатели; 2, 14 — акселерометры; 3 — платформа; 4, 9, 16, 17 —
интеграторы; 5, 11 — датчики угла; 7, 13 — датчики моментов; 8 — счетнорешающий блок; 10, 15 — индикаторы

• гироскопических устройств, воспроизводящих на объекте систему отсчёта (например, при помощи гиростабилизированной
платформы) и позволяющих определять углы поворота и наклона объекта, используемые для его стабилизации и управления движением;
• вычислительных устройств, которые по ускорениям (путём их
интегрирования) находят скорость объекта, его координаты и
другие параметры движения.
Совершенствование методов инерциальной навигации стало одним из условий, сделавших возможными беспосадочные авиаперелеты, полеты в космос, длительные походы подводных лодок. Инерциальная навигационная система (ИНС) — это неотъемлемая часть
системы управления самолета, вертолета, морского судна или ракеты. На рис. 1.3 представлена принципиальная схема инерциальной
системы навигации.
Взаимная связь блока измерителей ускорений и гироскопических устройств, обеспечивающих ориентацию акселерометров в пространстве, определяет тип инерциальной системы.
Известно три
основных типа инерциальных систем.
1. Инерциальная система геометрического типа. B этих системах блок гироскопов ориентируется и стабилизируется в инерци

Анализ существующих систем инерциальной навигации
9

альном пространстве, а платформа с акселерометрами ориентируется в горизонтальной плоскости и следит за положением местной
вертикали.
Координаты места движущегося объекта получаются
измерением углов между платформой с акселерометрами и блоком
гироскопов.
2. B инерциальной системе полуаналитического типа акселерометры и гироскопы находятся на одной платформе, причем прецессия гироскопов, а за ними и поворот платформы вызываются сигналами, снимаемыми с акселерометров. Координаты местоположения
объекта определяются в счетно-решающем устройстве, расположенном вне платформы.
3. B инерциальных системах аналитического типа акселерометры и гироскопы неподвижны в инерциальном пространстве. Координаты объекта получаются в счетно-решающем устройстве, в котором обрабатываются сигналы, снимаемые с акселерометров и устройств, определяющих поворот самого объекта относительно гироскопов и акселерометров.
Выбор типа инерциальной системы зависит от возможностей
размещения инерциальной системы на движущемся объекте, системы координат, в которой происходит счисление пути, наличия
средств коррекции и средств начальной ориентации системы и т. д.
Точность выходной навигационной информации напрямую зависит от характеристик чувствительных элементов, входящих в состав системы, поэтому наиболее точное навигационное решение можно получить только в инерциальных системах, построенных на прецизионных гироскопах и акселерометрах.
До недавнего времени
инерциальные навигационные системы — это дорогостоящие крупногабаритные сложные электромеханические системы.
Практическая реализация методов инерциальной навигации
связана со значительными трудностями, вызываемыми необходимостью обеспечить высокую точность и надёжность работы всех устройств при заданных весах и габаритах. Преодоление этих трудностей становится возможным благодаря созданию специальных технических средств — инерциальной навигационной системы.
Преимущества методов инерциальной навигации состоят в автономности, помехозащищенности и возможности полной автоматизации всех
процессов навигации. Благодаря этому методы инерциальной навигации получили широкое применение при решении проблем навигации надводных судов, подводных лодок, самолётов, космических
аппаратов (КА) и других движущихся объектов.

Г л а в а 1

Инерциальные навигационные системы делятся на платформенные и бесплатформенные. B платформенных системах инерциальной навигации акселерометры установлены на гиростабилизированной платформе, оси акселерометров направлены строго по осям земной системы координат, неизменная ориентация платформы поддерживается благодаря гироскопам, удерживающим платформу. B бесплатформенных инерциальных системах (БИНС) акселерометры и
гироскопы жестко связаны с корпусом объекта. Ориентация объекта определяется путем интегрирования его кинематических уравнений в бортовом вычислителе (БЦВМ). Впервые в России (СССР)
бесплатформенная инерциальная навигационная система была реализована в системе управления транспортного корабля «Союз-Т».
ИНС весьма сложны, дорогостоящи. Срок службы их меньше,
чем у обычных гироскопических приборов. Для правильного функционирования ИНС перед стартом объекта требуется ввести начальные данные по координатам пункта старта и скорости, произвести
ориентирование инерциальных измерителей. Точность некорректируемых ИНС зависит от времени.
Поэтому возможность получения информации от ИНС, удовлетворяющей заданным требованиям,
ограничена во времени. Так, за час полёта лучшие образцы ИНС
имеют погрешность в определении координат примерно 1,5...5 км.
Для уменьшения погрешностей и расширения возможностей использования применяют различные способы коррекции от радионавигационных, радиолокационных и астронавигационных средств.

1.2. Потенциально достижимая точность ИНС,
перспективы дальнейшего использования ИНС
На сегодняшнее время самой точной из всех существующих
ИНС является так называемая AIRS — усовершенствованная инерциальная опорная сфера, и, возможно, она ставит точку в долгом
процессе непрерывного совершенствования технологии ИНС [1]. Эта
сложная и дорогая ИНС третьего поколения, как характеризует ее
д-р Чарльз Старк Дрейпер (Charles Stark Draper), ведущий специалист по разработке сверхточных инерциальных систем управления.
Это означает дрейф ИНС менее чем на 1,5 · 10−5 градуса за час работы.
Этот дрейф так мал, что вклад AIRS в конечный промах
ракет составляет менее 1 %, (т. е. даже идеальная система управления с нулевым дрейфом улучшит точность попадания этой ракеты
лишь на несколько метров). Столь высокая стабильность параметров требуется в основном не при полете по баллистической траектории, а только для сохранения ориентации системы наведения на земле в течение ракетной тревоги, без необходимости внешней опорной