СПОСОБ ОТБОРА ДОСТОВЕРНОЙ ИНФОРМАЦИИ И ИДЕНТИФИКАЦИИ ОТКАЗОВ АКСЕЛЕРОМЕТРОВ И ДАТЧИКОВ УГЛОВОЙ СКОРОСТИ ПРИ ПЯТИ ИЗМЕРИТЕЛЯХ В КАЖДОМ ТРАКТЕ В БЕСПЛАТФОРМЕННОЙ ИНЕРЦИАЛЬНОЙ НАВИГАЦИОННОЙ СИСТЕМЕ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА Российский патент 2015 года по МПК G01C21/20 

Изобретение относится к области создания систем управления (СУ) летательных аппаратов (ЛА) с избыточным числом измерителей с идентификацией их отказов.

Известен способ получения и обработки навигационной информации в комплексах, навигационным ядром которых является бесплатформенная инерциальная навигационная система (БИНС), корректируемая от спутниковой инерциальной навигационной системы [1]. В данной работе предложен способ идентификации номера отказавшего измерителя из пяти используемых. Факт отказа и номер неисправного измерителя определяют сравнением с допуском функций, аргументами которых являются показания и точностные характеристики измерителей.

Недостатками известного метода являются:

1. Допусковый контроль не обеспечивает отбор выходной информации, ближайшей к измеряемому параметру;

2. Сложность вычислительных процедур, требующих для реализации значительного быстродействия бортовой цифровой вычислительной машины (БЦВМ).

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ получения достоверной информации, реализованный в работе [2]. Его недостатком по сравнению с предлагаемым способом является снижение точности выходной информации как результат формирования достоверного вектора пo показаниям трех измерителей. Резерв повышения точности за счет избыточной информации исправных датчиков не используется.

Задачей изобретения является отбор достоверной информации и идентификация отказов акселерометров (АКС) и датчиков угловой скорости (ДУС) при пяти измерителях в каждом тракте в БИНС ЛА, что позволяет обеспечивать безотказную работу БИНС, идентифицировать отказы с определением номера неисправного измерителя, формировать достоверные векторы кажущегося ускорения и угловой скорости, ближайшие к векторам, измеряемым исправными датчиками.

Технический результат достигается тем, что в способе отбора достоверной информации и идентификации отказов АКС и ДУС, при пяти измерителях в каждом тракте в БИНС ЛА, основанном на показаниях, полученных в результате циклического синхронного опроса измерителей, оси чувствительности любых трех из которых некомпланарны, и вычислении в каждом цикле векторов кажущегося ускорения и угловой скорости с использованием значений направляющих косинусов осей чувствительности измерителей, согласно изобретению, указанные векторы вычисляют при всех возможных комбинациях троек измерителей. Полученные векторы в каждом из трактов распределяют по группам, которые включают четыре вектора, вычисленные по показаниям четырех измерителей. По векторам в каждой группе рассчитывают средний вектор и показатели разброса относительно среднего вектора, находят минимальный из показателей разброса всех групп тракта в текущем цикле и средний вектор группы с минимальным показателем разброса принимают за достоверный вектор, ближайший к измеряемому в текущем цикле. Отказы измерителей тракта идентифицируют, исходя из исправности измерителей, по показаниям которых вычислен достоверный вектор, и результата сравнения с допуском модуля разности фактического показания измерителя, которое не использовано в расчете достоверного вектора и его расчетного показания. При этом расчетное показание определяют как проекцию достоверного вектора на ось чувствительности проверяемого измерителя.

Описание предлагаемого способа приведено применительно к одному из рассматриваемых трактов под названием «измерительный тракт».

В качестве исходных данных используются показания измерителей и значения направляющих косинусов измерителей тракта. Оси чувствительности любых трех измерителей должны быть некомпланарными.

Способ осуществляется следующим образом.

Осуществляется циклический синхронный опрос измерителей, обеспечивающий идентичность векторов, вычисляемых по показаниям исправных измерителей.

Определяют векторы кажущегося ускорения и угловой скорости в цикле опроса показаний акселерометров и датчиков угловой скорости, жестко связанных с корпусом летательного аппарата при пяти измерителях в каждом тракте с использованием значений направляющих косинусов измерителей.

По показаниям измерителей в текущем цикле опроса вычисляют компоненты измеряемого вектора. Для всех возможных комбинаций измерителей решаются системы линейных уравнений, составленных как скалярные произведения матрицы направляющих косинусов измерителей на искомый измеряемый вектор:

где:

$$\left[\begin{array}{ccc}{a}_{ix}& a_{iy}& a_{iz}\\ a_{jx}& a_{jy}& a_{jz}\\ a_{kx}& a_{ky}& a_{kz}\end{array}\right]$$ - матрица направляющих косинусов осей чувствительности измерителей i, j, k;

b_i, b_j, b_k - показания измерителей i, j, k;

$${\overline{W}}_{ijk}=\left[\begin{array}{c}{W}_{ijkX}\\ W_{ijkY}\\ W_{ijkZ}\end{array}\right]$$ - искомый вектор, определяемый по показаниям измерителей i, j, k.

Минимальное количество измерителей в каждом тракте, обеспечивающее безотказную работу тракта из пяти измерителей до одного отказа, равно пяти.

Число возможных векторов, рассчитанных по тройкам измерителей, равно числу сочетаний из пяти по три, т.е. $$C_5^3=10$$ .

Полученные 10 векторов распределяют по группам, каждая группа состоит из четырех векторов, рассчитанных по показаниям четырех измерителей. Так, первая группа включает векторы, вычисленные по показаниям измерителей с номерами 2, 3, 4, 5, обозначенные как 234, 235, 245, 345. Показания измерителя с номером 1 в расчете векторов первой группы не используются.

Число групп по четыре вектора равно числу сочетаний из пяти по четыре, т.е. $$C_5^4=5$$ групп. Состав групп с указанием номеров неиспользуемых измерителей представлен в приложении в таблице.

В каждой группе определяют средний вектор группы и показатель разброса векторов группы относительно среднего.

Так, средний вектор первой группы определяется как:

Соответствующий показатель разброса записывается следующим образом:

При пяти измерителях тракта и работе до одного отказа достоверный вектор тракта, ближайший к измеряемому, определяется как средний вектор группы с минимальным показателем разброса из всех (пяти) групп тракта. В работе до одного отказа достоверный вектор определяется по показаниям четырех исправных измерителей с учетом избыточной информации. Если все измерители тракта исправны, отбор достоверного вектора выполняется по десяти векторам, размещенным в пяти группах, в случае отказа - по четырем векторам одной группы. Исправность или отказ единственного измерителя, показания которого не использованы в расчете достоверного вектора, определяют сравнением с допуском модуля разности фактического показания проверяемого измерителя с его расчетным показанием. Допуск определяется погрешностью измерений. Расчетное показание вычисляется как проекция достоверного вектора текущего цикла на ось чувствительности проверяемого измерителя. Если модуль разности меньше допуска, проверяемый измеритель считается исправным, в противном случае его маркируют как неисправный в текущем цикле с указанием номера.

Предлагаемый способ дополнен решением, направленным на повышение живучести БИНС за счет возможного продолжения функционирования при возникновении нештатных ситуаций с одновременным отказом двух измерителей трактов из пяти. Данная задача решается выделением из десяти векторов тракта единственного вектора, полученного обработкой показаний трех исправных измерителей.

С этой целью выполняются следующие действия.

Вычисленный достоверный вектор текущего цикла сравнивают с достоверным вектором предыдущего цикла. Достоверный вектор предыдущего цикла представляет собой достоверный вектор, вычисленный по показаниям измерителей в текущем цикле и записанный в память вычислителя, предназначенную для размещения информации, необходимой для расчета достоверного вектора по показаниям в следующем цикле.

В качестве начальных условий достоверного вектора предыдущего цикла используют значения компонент вектора гравитационного ускорения и скорости вращения Земли в точке старта или в точке проведения испытаний аппаратуры.

Если модуль разности достоверных векторов текущего и предыдущего циклов превышает допуск, определяемый скоростью изменения модуля данного вектора на траектории полета, то число отказов измерителей данного тракта больше одного. Если в этом случае из векторов тракта (десяти) может быть выявлен вектор, модуль разности которого с достоверным вектором предыдущего цикла меньше допуска, то выявленный вектор является единственным вектором из векторов тракта, соответствующим измеряемому вектору.

Выявленный вектор тракта при двух отказах принимают за достоверный в текущем цикле, заменяя им средний вектор группы с минимальным показателем разброса, модуль разности которого с достоверным вектором предыдущего цикла оказался больше допуска.

Неисправными являются измерители, показания которых не использованы в расчете вектора тракта, принятого за достоверный.

Технический результат предлагаемого изобретения состоит в следующем:

1. Обеспечение безотказной работы БИНС при минимальном количестве измерителей кажущегося ускорения и угловой скорости до одного отказа в каждом тракте.

2. Идентификация отказов с определением номера неисправного измерителя.

3. Формирование в результате отбора достоверных векторов кажущегося ускорения и угловой скорости, ближайших к векторам, измеряемым исправными датчиками. Этому способствует оптимальный бездопусковый отбор показаний всех исправных датчиков с повышением точности за счет избыточной информации возможных комбинаций троек измерителей.

4. Осуществление отбора достоверной информации только на основании показаний АКС и ДУС и значений направляющих косинусов измерителей, без применения внешних данных и результатов точностных расчетов, что способствует упрощению вычислительных процедур при реализации предлагаемого способа.

5. Пригодность данного способа отбора для дефектации неисправных измерителей при проведении предполетных испытаний аппаратуры БИНС.

6. Предотвращение аварии ЛА при отказе двух измерителей тракта из пяти.

Работоспособность предлагаемого решения подтверждена результатами моделирования с использованием реальной телеметрической информации, записанной в полете ЛА с акселерометров, установленных на корпусе. Моделирование проведено при штатной работе и с имитацией отказов аппаратуры.

Таким образом, заявлен способ отбора достоверной информации и идентификации отказов акселерометров и датчиков угловой скорости, при пяти измерителях в каждом тракте в бесплатформенной инерциальной навигационной системе летательного аппарата, основанный на показаниях, полученных в результате циклического синхронного опроса измерителей, оси чувствительности любых трех из которых должны быть некомпланарными, и вычислении в каждом цикле векторов кажущегося ускорения и угловой скорости с использованием значений направляющих косинусов осей чувствительности измерителей. Отличительной особенностью способа является то, что векторы кажущегося ускорения и угловой скорости вычисляют при всех возможных комбинациях троек измерителей. Полученные векторы в каждом из трактов распределяют по группам, которые включают четыре вектора, вычисленные по показаниям четырех измерителей. По векторам в каждой группе рассчитывают средний вектор и показатели разброса относительно среднего вектора, находят минимальный из показателей разброса всех групп тракта в текущем цикле. Средний вектор группы с минимальным показателем разброса принимают за достоверный вектор, ближайший к измеряемому в текущем цикле. Отказы измерителей тракта идентифицируют, исходя из исправности измерителей, по показаниям которых вычислен достоверный вектор, и результата сравнения с допуском модуля разности фактического показания измерителя, которое не использовано в расчете достоверного вектора и его расчетного показания. При этом расчетное показание определяют как проекцию достоверного вектора на ось чувствительности проверяемого измерителя. Если модуль разности фактического и расчетного показаний не превышает допуск, определяемый погрешностью измерений, проверяемый измеритель считают исправным. В противном случае его маркируют, как неисправный в текущем цикле с указанием номера.

Литература

1. «Ориентация и навигация подвижных объектов: современные информационные технологии» / под ред. Б.С. Алешина, К.К. Веремеенко, А.И. Черноморского и др., М., Физматгиз, 2006, стр. 219-226.

2. «Устройство резервирования акселерометров в системе управления (СУ) », патент RU 2142645 G1 авторов Иванушкина С.В., Кончагина А.А., Нижегородова Л.А.

Изобретение относится к области создания систем управления летательных аппаратов, преимущественно к способам получения достоверной информации и диагностики работоспособности акселерометров и датчиков угловой скорости летательного аппарата с избыточным числом измерителей и идентификацией их отказов. В способе отбора достоверной информации и идентификации отказов измерителей, при пяти измерителях в каждом тракте в бесплатформенной инерциальной навигационной системе (БИНС), основанном на показаниях, полученных в результате циклического синхронного опроса измерителей, оси чувствительности любых трех из которых некомпланарны, и вычислении в каждом цикле векторов кажущегося ускорения и угловой скорости с использованием значений направляющих косинусов осей чувствительности измерителей, согласно изобретению, указанные векторы вычисляют при всех возможных комбинациях троек измерителей. Полученные векторы в каждом из трактов распределяют по группам, которые включают четыре вектора, вычисленные по показаниям четырех измерителей. По векторам групп рассчитывают средние векторы и показатели разброса относительно среднего вектора, находят группу с минимальным показателем разброса в текущем цикле и средний вектор этой группы принимают за достоверный вектор текущего цикла. Отказы измерителей тракта идентифицируют, исходя из исправности измерителей, по показаниям которых вычислен достоверный вектор, и результата сравнения с допуском модуля разности фактического показания измерителя, которое не использовано в расчете достоверного вектора и его расчетного показания. При этом расчетное показание определяют как проекцию достоверного вектора на ось чувствительности проверяемого измерителя. Технический результат - отбор достоверной информации и безотказная работа измерительных трактов с одним отказом измерителя и идентификация отказов измерителей при избыточной информации в каждом тракте в БИНС. 1 табл.

Способ отбора достоверной информации и идентификации отказов акселерометров и датчиков угловой скорости, при пяти измерителях в каждом тракте в бесплатформенной инерциальной навигационной системе летательного аппарата, основанный на показаниях, полученных в результате циклического синхронного опроса измерителей, оси чувствительности любых трех из которых должны быть некомпланарными, и вычислении в каждом цикле векторов кажущегося ускорения и угловой скорости с использованием значений направляющих косинусов осей чувствительности измерителей, отличающийся тем, что векторы кажущегося ускорения и угловой скорости вычисляют при всех возможных комбинациях троек измерителей, полученные векторы в каждом из трактов распределяют по группам, которые включают четыре вектора, вычисленные по показаниям четырех измерителей, по векторам в каждой группе рассчитывают средний вектор и показатели разброса относительно среднего вектора, находят минимальный из показателей разброса всех групп тракта в текущем цикле и средний вектор группы с минимальным показателем разброса принимают за достоверный вектор, ближайший к измеряемому в текущем цикле, отказы измерителей тракта идентифицируют, исходя из исправности измерителей, по показаниям которых вычислен достоверный вектор, и результата сравнения с допуском модуля разности фактического показания измерителя, которое не использовано в расчете достоверного вектора и его расчетного показания, при этом расчетное показание определяют как проекцию достоверного вектора на ось чувствительности проверяемого измерителя, если модуль разности фактического и расчетного показаний не превышает допуск, определяемый погрешностью измерений, проверяемый измеритель считают исправным, в противном случае его маркируют, как неисправный в текущем цикле с указанием номера.