КОМПЛЕКСНАЯ НАВИГАЦИОННАЯ СИСТЕМА Российский патент 2005 года по МПК G01C23/00 

Изобретение относится к комплексам навигации, управления и наведения летательных аппаратов (ЛА).

В наиболее близком аналоге, приведенном в книге [1] (Бабич О.А. Обработка информации в навигационных комплексах. - М.: Машиностроение, 1991 г.) на стр.6-16, 391-507, представлена комплексная навигационная система (КНС) ЛА, включающая в себя навигационные датчики и системы, работающие на различных физических принципах, а также вычислительно-логические блоки комплексной системы, обеспечивающие информационный обмен между датчиками и системами и расчет необходимых параметров состояния ЛА: блок компенсации ошибок КНС; блок формирования параметров состояния ЛА; блок формирования невязки, обеспечивающий сравнение однотипной информации, поступающей от различных измерителей; блоки прогноза и оценивания ошибок КНС. При работе КНС из-за наличия различных погрешностей датчиков и систем параметры движения ЛА определяются с ошибками, поэтому в комплексной системе реализуется (см. [1], стр.391) метод комплексирования информации, предусматривающий проведение статистической фильтрации информации двух или нескольких систем и получении корректирующих поправок для одной из них (корректируемой). На основе скорректированной информации осуществляется расчет основных параметров состояния и движения ЛА (азимуты и дальности до ориентиров, отклонения от заданной траектории, координаты, скорости, ускорения, углы ориентации ЛА - см., например, литературу [1], стр.171-301).

Недостатками наиболее близкого аналога являются, во-первых, то, что в некоторых условиях полета (при наличии перегрузок, значительных угловых скоростей ЛА) качество работы алгоритмов статистической фильтрации ухудшается и соответственно ухудшается качество компенсации ошибок, во-вторых, то, что при качество оценивания различных ошибок существенно различается при работе с разными средствами коррекции, вследствие чего при смене корректирующей информации возможны ухудшения качества комплексной обработки и комплексная система становится малоэффективной.

Задачей изобретения является повышение точности КНС и, как следствие этого, повышение эффективности работы ЛА, снабженных КНС.

Достигается указанный результат тем, что содержащая базовую навигационную систему, блок корректирующих средств, блок компенсации ошибок, блок формирования параметров состояния, блок формирования невязки, блок прогноза ошибок, блок оценивания ошибок, причем выход базовой навигационной системы подключен к первому входу блока компенсации ошибок, выход блока компенсации ошибок подключен к входу блока формирования параметров состояния и к первому входу блока формирования невязки, комплексная навигационная система дополнительно снабжена блоком анализа, первый, второй и третий входы/выходы которого подключены ко второму входу/выходу блока прогноза, второму входу/выходу блока селекции фильтров, входу/выходу блока селекции корректирующих средств соответственно, простой вход блока анализа подключен к выходу блока формирования параметров состояния, простой выход блока анализа подключен ко второму входу блока компенсации ошибок; блоком селекции корректирующих средств, простые входы которого подключены по одному к соответствующим выходам блока корректирующих средств, простой выход блока селекции корректирующих средств подключен ко второму входу блока формирования невязки, вход/выход блока селекции корректирующих средств подключен к третьему входу/выходу блока анализа; блоком селекции фильтров, первый и второй входы/выходы которого подключены к первому и второму входам/выходам блока прогноза и блока анализа соответственно, остальные входы/выходы подключены по одному к соответствующим входам/выходам фильтров, входящих в состав блока оценивания, простой вход блока селекции фильтров подключен к выходу блока формирования невязки.

На чертеже представлена блок-схема комплексной навигационной системы, содержащей следующие блоки:

1 - базовая навигационная система БНС;

2 - блок корректирующих средств БКС;

3 - блок компенсации ошибок КО;

4 - блок формирования параметров состояния ФПС;

5 - блок формирования невязки ФН;

6 - блок селекции корректирующих средств СКС;

7 - блок прогноза БП;

8 - блок оценивания БО;

9 - блок селекции фильтров СФ;

10 - блок анализа БА.

Информационный обмен между входами-выходами блоков осуществляется по линиям связи, показанным на чертеже тонкой сплошной линией. Линии связи представляют собой известные (описанные, например, в книге [2], стр.21-24, 394-406) линии связи и информационного обмена, например, по последовательному коду, по параллельному коду, мультиплексные и др.

Блоки БНС 1 и БКС 2 представляют собой известные датчики и системы бортового оборудования ЛА, описанные в литературе, например [I], стр.8-16, 171-243, 316-317, 325-327, 374-385. В состав блока БНС 1 входят, например, инерциальная навигационная система (ИНС), решающая задачу автономного счисления скорости, координат и угловой ориентации объекта на основе измеряемых с помощью акселерометров и гироскопов, входящих в ИНС, ускорений и угловых скоростей (или углов ориентации) объекта; курсовертикаль, решающая задачу счисления скорости и угловой ориентации объекта на основе измерительной информации гироскопов и акселерометров; система воздушных сигналов СВС, измеряющая статические, динамические, полные давления воздуха, с помощью которых решаются задачи определения высоты и скорости объекта относительно атмосферы. В состав блока БКС 2 входят, например, радиосистема ближней навигации (РСБН), измеряющая азимут радиомаяка и дальность до него, с помощью которых при известных координатах радиомаяка решается задача определения координат объекта; радиосистема дальней навигации (РСДН), измеряющая дальности до нескольких наземных радиостанций, с помощью которых при известных координатах станций решается задача определения координат объекта; доплеровский измеритель скорости и сноса (ДИСС), измеряющий доплеровские сдвиги частот излучаемых радиосигналов, с помощью которых решается задача определения вектора скорости объекта; спутниковая навигационная система (СНС), измеряющая временную задержку, фазовый сдвиг и доплеровский сдвиг частоты радиосигналов от космических спутников, с помощью которых при известных параметрах движения спутников решается задача определения времени, координат и скорости объекта; средства визирования ориентиров (целей), измеряющие дальности до ориентиров и/или углы их визирования, с помощью которых при известных координатах ориентиров решается задача определения координат объекта; измерители параметров различных геофизических поверхностных и пространственных полей: поля рельефа, магнитного поля, гравитационного поля, поля радиолокационного контраста, с помощью которых при известных закономерностях распределений этих полей в околоземном пространстве решается задача определения координат объекта. В общем случае в состав блока БКС 2 входит n различных корректирующих средств, различающихся составом и качеством выходной информации.

Вычислительно-логические блоки КО 3, ФПС 4, ФН 5, СКС 6, БП 7, БО 8, СФ 9, БА 10 выполнены, например, в виде однопроцессорных вычислителей ([2], стр.31).

Блок КО 3 обеспечивает коррекцию параметров, выдаваемых БНС 1, на величину оценок ошибок базовой системы, полученной с помощью блоков прогноза и оценивания.

Блок ФПС 4 обеспечивает расчет параметров состояния ЛА, включающего в себя координаты, скорость, ускорение и углы ориентации ЛА относительно заданной базовой системы отсчета на основе решения соответствующих уравнений, связывающих эти параметры с измеряемыми величинами, поступающими с выхода блока БНС 1 в блок КО 3. где производится их коррекция (см., например, книгу [1], стр.7-8, 117-158, 171-283).

Блок ФН 5 обеспечивает формирование невязки между однотипными параметрами движения ЛА: с одной стороны, измеренными с помощью БНС 1 и скорректированными с помощью КО 3, а, с другой стороны, - измеренными с помощью БКС 2.

Дополнительно введенный блок СКС 6 обеспечивает выбор из n корректирующих средств, входящих в состав блока БКС 2, одного, наилучшим образом соответствующего текущим условиям работы КНС, и подключение его выходной информации ко второму входу блока ФН 5 для формирования соответствующей невязки.

Дополнительно введенный блок СФ 9 на основе анализа текущего состояния КНС, производимого блоком БА 10, осуществляет выбор среди m фильтров блока БО 8 одного, наилучшим образом соответствующего сложившимся условиям функционирования КНС на борту ЛА, и подает на его вход невязку, сформированную в блоке ФН 5, а также соединяет вход/выход блока прогноза БП 7 с входом/выходом выбранного фильтра.

Блок оценивания БО 8, содержащий в своем составе m фильтров Ф-j (j=1,2...m), обеспечивает формирование оценок ошибок базовой навигационной системы.

Дополнительно введенный блок БА 10 анализирует поступающую из блоков ФПС 4, БП 7, СФ 9, СКС 6 информацию о текущем состоянии ЛА, о прогнозируемых и оцениваемых значениях ошибок, о работе корректирующих средств и формирует управляющие сигналы для блоков СКС 6, БП 7, СФ 9 для соответствующей реконфигурации структуры алгоритмов обработки информации, а также формирует из прогнозируемых и оцениваемых значениях ошибок корректирующие поправки, которые поступают в блок КО 3.

КНС работает следующим образом.

Измеряемая с помощью БНС 1 информация J^БНС о параметрах движения ЛА поступает на вход блока КО 3, в котором производится ее коррекция на величину оценок ошибок поступающих в блок КО 3 с простого выхода блока БА 10.

Скорректированная информация с выхода КО 3 поступает на первый вход блока ФН 5. На второй вход блока ФН 5 с простого выхода блока СКС 6 поступает величина Jⁱ(i=1,2,...n), измеренная i-м корректирующим средством из состава блока БКС 2. В блоке ФН 5 формируется невязка между информацией базовой навигационной системы и выбранного (i-го) корректирующего средства путем вычитания соответствующих величин, в результате чего на выходе блока ФН 5 формируется вектор где Z() - функция, с помощью которой описывается алгоритм формирования невязки (см., например, книгу [1], стр.421-422, 429-430, 434-436, 451-460, 476-478; книгу [3], стр.161-255).

В блоке ФПС 4 производится обработка информации базовой навигационной системы в соответствии с общим уравнением (см., например [1], стр.171-178, 189-195, 216-224,225-229, 236-240, 316-327, 374-385):

где N - многомерный вектор определяемых параметров, включающий координаты, скорость, ускорение, углы ориентации ЛА;

К - априорная информация, используемая в алгоритмах и включающая в себя информацию о координатах и скоростях спутников, радиомаяков, небесных светил, наземных ориентиров, геометрические характеристики навигационного пространства, параметры геофизических полей (атмосферы, гравитационного, магнитного, рельефа, радионавигационных и т.п.);

- алгоритм (оператор) обработки информации.

В блоке ФПС 4 определяются многомерный вектор N и основные параметры состояния и движения ЛА (азимуты и дальности до ориентиров, отклонения от заданной траектории, координаты, скорости, ускорения, углы ориентации ЛА), необходимые для решения конкретных частных задач комплексной системы.

В дополнительно введенном блоке СКС 6 по командам, формируемым в блоке БА 10, осуществляется выбор одного из n корректоров и подключение его выхода ко второму входу блока ФН 5, т.е. алгоритм, реализуемый блоком СКС 6, представляет собой управляемый переключатель.

В дополнительно введенном блоке СФ 9 по командам, формируемым в блоке БА 10, осуществляется выбор одного из m фильтров и подключение его входа/выхода к входам/выходам блоков БП 7 и БА 10, а также подача на вход/выход выбранного фильтра невязки Z, поступающей в блок СФ 9 из блока ФН 5. Алгоритм, реализуемый блоком СФ 9, представляет собой управляемый переключатель.

Введение в состав КНС блоков СКС 6 и СФ 9 обеспечивает селекцию корректирующих средств и фильтров, что позволяет осуществлять оперативную подстройку моделей погрешностей, используемой при коррекции базовой навигационной системы, а также наиболее эффективно использовать информативные возможности корректирующих средств в разных условиях работы КНС.

В каждом j-м фильтре Ф-j блока БО 8 осуществляется обработка поступающей на его вход невязки Z по алгоритму нестационарной вычислительно-устойчивой фильтрации (см. [1], стр.40-45; [3], стр.96-108) и для каждого k-того момента времени формируется оценка вектора ошибок в виде

где

- прогнозируемое j-м фильтром значение вектора ошибок в k-тый момент времени;

- полученная j-м фильтром оценка значения вектора ошибок в k-тый момент времени;

- функциональная зависимость, устанавливающая связь между полученной оценкой вектора ошибок, с одной стороны, и прогнозируемой ее величиной и невязкой, с другой стороны, реализуемая в j-м фильтре.

Вид алгоритмов, реализующих указанные функциональные зависимости в блоке БО 8, может быть, например, следующий:

Здесь Е - единичная матрица;

- прогнозируемое значение оцениваемого вектора ошибок в k-тый момент времени;

- оценка j-м фильтром значения вектора ошибок в k-тый момент времени;

- прогнозируемое значение ковариационной матрицы вектора ошибок в k-тый момент времени;

- оценка j-м фильтром ковариационной матрицы вектора ошибок в k-тый момент времени;

R^j - ковариационная матрица измерительных шумов, используемая в j-м фильтре;

H^j-матрица модели измерений ошибок.

Фильтры Ф-j (j=1,2,...n) различаются друг от друга размерностью оцениваемого вектора ошибок, способами формирования матрицы R^j, видом матрицы Н^j. При этом оценки, получаемые в разных фильтрах, будут различаться между собой, причем одна из них будет наилучшим образом соответствовать реальной ситуации.

Прогнозируемые значения ошибок и поступают в блок БО 8 из блока БП 7 через СФ 9. Величины , из БО 8 поступают в блоки БП 7 и БА 10 для осуществления прогноза ошибок базовой навигационной системы (в БП 7), анализа текущей ситуации (в БА 10) и формирования поправок (в БА 10), которые затем подаются на второй вход блока КО 3.

В блоке БП 7 осуществляется прогноз ошибок, например, с помощью формул вида:

где Q - ковариационная матрица входных шумов;

F, Г - матрицы модели ошибок.

Спрогнозированные значения ошибок поступают в блоки СФ 9 для передачи в блок БО 8 для уточнения с помощью фильтров, а также в блок БА 10.

Введение в состав КНС блока БО 8, содержащего несколько (m штук) описанных фильтров Ф-j (j=1,2,...m), различающихся размерностью оцениваемого вектора, видом ковариационной матрицы измерительных шумов, составом оцениваемых ошибок, позволяет выбирать для каждой полетной ситуации тот фильтр, который наилучшим образом соответствует текущему состоянию корректирующих средств и динамики движения объекта, вследствие чего повышается качество коррекции базовой системы.

В дополнительно введенный блок БА 10 из блоков БП 7 и СФ 9 поступает информация о прогнозируемых ошибках (величины и ) и полученных в БО 8 их оценках (величины где j принимает одно из значений 1...m), из блока ФПС 4 поступает информация о параметрах движения ЛА (величины N и ), из блока СКС 6 поступает информация о состоянии корректирующих средств, например, в виде сигналов их исправностей. В блоке БА 10 путем анализа величин координат, скоростей, ускорений, угловой ориентации ЛА, информация о которых содержится в величинах N и , определяется, какой маневр совершает ЛА: например, координированный разворот, кабрирование, крейсерский полет по маршруту и т.д. Для каждого режима полета (маневра) из состава исправных корректирующих средств выбирается то, информация которого в этом режиме будет наиболее качественной: например, при маловысотном полете - датчик рельефа местности, при заходе на ориентир - обзорно-прицельные средства, при крейсерском полете - радиотехнические средства и т.д. После определения режима полета и выбора корректирующего средства соответствующие команды поступают в блоки СКС 6 и СФ 9, которые обеспечивают подключение соответствующих средств коррекции и фильтров. Кроме того, в блоке БА 10 решается задача формирования поправок для блока КО 3. На основе проведенного анализа режима полета и состояния корректоров выявляется надежность полученных в БО 8 оценок. Так, например, если ЛА совершает маневры со значительными перегрузками и угловыми скоростями, то сформированные оценки имеют большие собственные динамические погрешности, и в этом случае для формирования поправок используются прогнозируемые величины

Также в случае отключения всех корректирующих средств для формирования поправок используются прогнозируемые величины. В остальных случаях для формирования поправок используются оценки, поступающие из блока БО 8 через СФ 9 в блок БА 10:

Здесь функция имеет, например, вид переприсваивания значений некоторых элементов вектора или элементам вектора ([3], стр.124-129, 161-255).

Таким образом, введение в состав КНС описанных блоков обеспечивает гибкую оперативную реконфигурацию алгоритмов обработки информации комплексной системы, выбор наиболее подходящих к текущему режиму полета корректирующих средств и фильтров информации, синтез наиболее подходящих корректирующих поправок, вследствие чего устраняются недостатки наиболее близкого аналога и расширяются функциональные возможности комплексной системы.

На примерах технической реализации показано достижение технического результата в части расширения функциональных возможностей комплексной навигационной системы и, как следствие, повышение эффективности применения оснащаемых ею летательных аппаратов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Бабич О.А. Обработка информации в навигационных комплексах. - М.: Машиностроение, 1991 г.

2. Преснухин Л.Н., Нестеров П.В. Цифровые вычислительные машины. - М.: Высшая школа, 1981 г.

3. Ривкин С.С., Ивановский Р.И., Костров А.В. Статистическая оптимизация навигационных систем. - Л.: Судостроение, 1976 г.

Изобретение относится к технике приборостроения, а именно к навигационным приборам для контроля и управления летательными аппаратами. Технический результат - расширение функциональных возможностей. Для достижения данного результата в систему дополнительно введен блок анализа, первый, второй и третий входы/выходы которого подключены ко второму входу/выходу блока прогноза, второму входу/выходу блока селекции фильтров, входу/выходу блока селекции корректирующих средств соответственно. Однонаправленный вход блока анализа подключен к выходу блока формирования параметров состояния и ко второму входу блока компенсации ошибок. Блок селекции корректирующих средств подключен к соответствующим выходам блока корректирующих средств. Однонаправленный выход блока селекции корректирующих средств подключен ко второму входу блока формирования невязки, а вход/выход блока селекции корректирующих средств подключен к третьему входу/выходу блока анализа. 1 ил.

Комплексная навигационная система, содержащая базовую навигационную систему, блок корректирующих средств, блок компенсации ошибок, блок формирования параметров состояния, блок формирования невязки, блок прогноза, блок оценивания, причем выход базовой навигационной системы подключен к первому входу блока компенсации ошибок, выход блока компенсации ошибок подключен к входу блока формирования параметров состояния и к первому входу блока формирования невязки, отличающийся тем, что комплексная навигационная система дополнительно снабжена блоком анализа, первый, второй и третий входы/выходы которого подключены ко второму входу/выходу блока прогноза, второму входу/выходу блока селекции фильтров, входу/выходу блока селекции корректирующих средств соответственно, простой вход блока анализа подключен к выходу блока формирования параметров состояния, простой выход блока анализа подключен ко второму входу блока компенсации ошибок; блоком селекции корректирующих средств, простые входы которого подключены по одному к соответствующим выходам блока корректирующих средств, простой выход блока селекции корректирующих средств подключен ко второму входу блока формирования невязки, вход/выход блока селекции корректирующих средств подключен к третьему входу/выходу блока анализа; блоком селекции фильтров, первый и второй входы/выходы которого подключены к первому и второму входам /выходам блока прогноза и блока анализа соответственно, остальные входы/выходы подключены по одному к соответствующим входам/выходам фильтров, входящих в состав блока оценивания, простой вход блока селекции фильтров подключен к выходу блока формирования невязки.