Алгоритмы коррекции навигационных систем

Московский государственный технический университет

имени Н.Э. Баумана

А.В. Пролетарский, К.А. Неусыпин,

И.А. Кузнецов

Алгоритмы коррекции
навигационных систем

Допущено Учебно-методическим объединением вузов
по университетскому политехническому образованию 

в качестве учебного пособия для студентов 

высших учебных заведений, 

обучающихся по направлению подготовки 161100 

«Системы управления и навигация»

УДК 629.7.054.07
ББК 39.57‒5
 
П80

Издание доступно в электронном виде на портале ebooks.bmstu.ru

по адресу: http://ebooks.bmstu.ru/catalog/200/book768.html

Факультет «Информатика и системы управления»
Кафедра «Системы автоматического управления»

А.Е. Кузнецов

Рецензенты:

д-р техн. наук, профессор
,

д-р техн. наук, профессор 

Пролетарский, А. В.

П80  
Алгоритмы коррекции навигационных систем : учебное 

пособие / А. В. Пролетарский, К. А. Неусыпин, И. А. Кузнецов. — Москва : Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 
2015. — 67, [3] с. : ил.

ISBN 978-5-7038-4067-2

Рассмотрены навигационные системы, их погрешности и схе
мы алгоритмической коррекции с использованием  алгоритмов 
оценивания, управления, комплексирования и прогнозирования. 
Представлены методики проведения испытаний навигационных 
систем и комплексов, моделирования алгоритмов с использованием данных лабораторных экспериментов.

Для студентов, аспирантов, инженеров и научных работников, 

занимающихся  вопросами навигации и обработки информации.

УДК 629.7.054.07
ББК 39.57‒5

© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2015
© Оформление. Издательство 

ISBN 978-5-7038-4067-2 
 
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2015

Н.И. Тертышник

Предисловие

Успешное решение задач управления сложными технически
ми системами летательных аппаратов (ЛА) во многом зависит 
от уровня развития измерительной техники. Эксплуатационные 
характеристики ЛА в большой степени определяются совершенством бортового оборудования, в частности, качеством информационно-измерительных сигналов, используемых для 
управления. Источником информационно-измерительных сигналов о местоположении, ориентации, скорости и других параметрах движения ЛА являются различные навигационные системы и комплексы.

Измерительные сигналы систем имеют погрешности, обу
словленные конструктивными особенностями и условиями функционирования ЛА. Повышение точности измерительной информации предполагает исследование причин возникновения 
погрешностей и последующую их компенсацию алгоритмическим 
путем.

В данном учебном пособии исследованы погрешности на
вигационных систем и комплексов ЛА, методы повышения точности с помощью разнообразных алгоритмов. Рассмотрены различные схемы коррекции навигационных систем и комплексов.

Представлены алгоритмы коррекции автономных систем на
вигации, алгоритмы оценивания, управления, прогнозирования 
и комплексирования.

Рассмотрены различные модификации фильтра Калмана, ис
пользуемые в схемах коррекции навигационных систем в выходном сигнале. Для коррекции на длительных интервалах полета применяется коррекция в структуре навигационных систем 
с помощью алгоритмов управления. В условиях исчезновения 

сигналов от внешних измерительных систем применяется коррекция с помощью прогнозирующих моделей погрешностей базовой навигационной системы. Для построения прогнозирующих 
моделей использованы алгоритм самоорганизации и генетический 
алгоритм.

Большое внимание уделено испытанию навигационных си
стем, вопросам проведения полунатурного моделирования и моделирования по данным лабораторного эксперимента. Представлены способ формирования измерений для алгоритмов при 
оценивании или построении моделей непосредственно неизмеряемых компонент вектора состояния, методика проведения моделирования по данным лабораторного эксперимента с реальными 
навигационными 
системами, 
методики 
проведения 

испытаний с навигационными системами и комплексами.

1. НАВИГАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ И КОМПЛЕКСЫ

1.1. Навигационные системы

Наиболее широко используются навигационные системы 

(НС), основанные на принципах гироскопической стабилизации. 
Самым распространенным типом навигационных систем в настоящее время являются системы, в которых используются гиростабилизированные платформы (ГСП). На ГСП возлагаются 
задачи по управлению и стабилизации специальных бортовых 
приборов, таких как антенны бортовых радиолокационных станций, чувствительные элементы пеленгаторов, координаторы цели, 
аэрофотоаппаратура, акселерометры и т. д. ГСП удерживает стабилизируемый объект на заданных направлениях в пространстве.

ГСП может быть построена на гироскопах различных типов: 

лазерных и электростатических, динамически настраиваемых, 
поплавковых и др. гироскопах. ГСП имеет погрешности, обусловленные типом применяемых гироскопов и конструкцией 
платформы. Специфические погрешности, присущие различным 
типам гироскопов успешно компенсируются; динамический дрейф 
ГСП, достигающий в современных системах значительных величин по сравнению с остаточными (после компенсации) погрешностями, как правило, не компенсируется. 

На ГСП размещаются три акселерометра, которые измеряют 

составляющие ускорения объекта вдоль соответствующим образом ориентированных осей. Поступающие с акселерометров 
сигналы интегрируются, и в результате получается информация 
о скорости и пройденном пути. ГСП, материализующая сопровождающий трехгранник, строится на базе двух или трех двухстепенных гироскопов.

Совокупность ГСП и акселерометров называется инерциаль
ной навигационной системой (ИНС).

ИНС в зависимости от ориентации осей акселерометров в про
странстве могут быть выполнены по геометрической, полуаналитической и аналитической кинематическим схемам.

ИНС, построенные по геометрической схеме, представляют 

собой платформу с акселерометрами, измерительные оси которых 
ориентированы в географической системе координат. Платформа поворачивается при движении несущего объекта таким образом, что все время находится в плоскости местного горизонта, 
оси же гиростабилизатора остаются в угловом смысле неизменными в инерциальном пространстве. Относительно инерциального пространства, и соответственно гиростабилизатора, 
измерительные оси акселерометров поворачиваются с угловой 
скоростью, равной скорости вращения Земли и относительного 
движения несущего объекта.

В ИНС аналитического типа материализуется в угловом 

смысле неподвижная в инерциальном пространстве система координат, относительно которой ведутся все отсчеты навигационных параметров динамического объекта. Требования к БЦВМ 
при использовании ИНС аналитического типа более высокие, 
чем у вышеперечисленных типов ИНС.

Наиболее распространенной является полуаналитическая схе
ма построения ИНС. Эта схема характеризуется тем, что система 
координат запоминается в БЦВМ, а сопровождающий трехгранник 
материализуется посредством ГСП с акселерометрами. Оси чувствительности акселерометров ориентированы относительно земной поверхности по осям ортодромической, азимутально-свободной или географической систем координат. Сохранение ГСП 
горизонтального положения и выбранной ориентации в азимуте 
достигается посредством настройки системы на период Шулера, 
равный 84,4 мин. В этом случае достигается инвариантность системы к горизонтальным ускорениям несущего объекта.

ИНС, построенные по полуаналитической схеме, могут быть 

реализованы на базе трех двухстепенных гироскопов или двух 
трехстепенных гироскопов. Интегрирование сигналов с акселерометров дает информацию о скорости несущего динамического объекта. Двукратное интегрирование позволяет определить 
пройденный путь вдоль соответствующих осей.

Главным преимуществом автономных ИНС является их ин
вариантность к горизонтальным ускорениям. Однако погрешности автономных ИНС, обусловленные дрейфом гироскопов, 
смещением нуля и дрейфом акселерометров, а также другими 
возмущающими факторами, достигают значительных величин.

Повышения точности ИНС можно добиться за счет привле
чения дополнительной информации, как правило, это информация от различных датчиков и систем.

Помимо датчиков скоростной информации используются 

датчики позиционной информации, в качестве которых широко 
используют радиопеленгаторы. 

Наиболее точной среди других навигационных систем явля
ется астроинерциальная навигационная система. Для получения 
навигационных параметров динамического объекта астронавигационную систему устанавливают либо на гиростабилизированную 
платформу с интегральной коррекцией горизонтирования с настройкой на период Шулера, либо на платформу в кардановом 
подвесе, отслеживающем положение осей ГСП. И в том и в другом случае погрешности ориентации осей ГСП оказывают влияние на точность получения навигационной информации посредством астроинерциальной навигационной системы.

1.2. Бесплатформенные навигационные системы

В последнее время все большее распространение получают 

бесплатформенные ИНС (БИНС). Для получения навигационной 
информации относительно выбранной системы координат БИНС 
моделируют математический маятник с периодом Шулера посредством информации о линейных ускорениях и угловых скоростях несущего объекта. БИНС могут включать в себя акселерометры, которые жестко крепятся на борту ЛА или 
перемещаются по заданному закону, акселерометры и измерители угловых скоростей.

Достоинствами БИНС по сравнению с платформенными ИНС 

обычно считают надежность, простоту эксплуатации и меньшую 
стоимость. ЛА находятся в чрезвычайно жестких условиях эксплуатации, поэтому требования к точностным характеристикам 
акселерометров и гироскопов более высокие, так как чувствительные элементы БИНС жестко закреплены непосредственно 
на корпусе ЛА.

Чтобы при построении БИНС ошибки быстро не возрастали, 

необходимо использовать прецизионные акселерометры и гироскопы, а также иметь на борту вычислительную машину с большой скоростью счета для проведения значительного объема вычислений.

1.3. Спутниковые навигационные системы

В качестве позиционных датчиков информации широко ис
пользуются радиопеленгаторы. Одной из наиболее известных 
радионавигационных систем, используемых в морской и авиационной навигации, является система типа «Лоран». На части 
траектории, проходящей в зоне действия системы типа «Лоран», 
может быть обеспечено получение непрерывной информации 
о местоположении и ее использование в комбинации с выходными сигналами ИНС.

К началу 1970-х гг. оказалось, что стоявшая в то время на 

вооружении армии США спутниковая навигационная система 
Transit имела существенные недостатки:

• относительно невысокая точность определения координат;
• большие промежутки времени между наблюдениями.
С целью преодоления этих недостатков было принято реше
ние начать работы над созданием спутниковой навигационной 
системы нового поколения. Первоначально она называлась 
NAVSTAR (NAVigation Satellite providing Time And Range), т. е. 
«навигационная спутниковая система, обеспечивающая измерение времени и местоположения». Основным назначением 
NAVSTAR была высокоточная навигация военных объектов.

В настоящее время активно функционируют две спутниковые 

радионавигационные системы (СРНС) — Глобальная навигационная спутниковая система (ГЛОНАСС, Россия) и Global Positioning 
System (GPS NAVSTAR, США).