СПОСОБ ОТБОРА ДОСТОВЕРНОЙ ИНФОРМАЦИИ И ИДЕНТИФИКАЦИИ ОТКАЗОВ АКСЕЛЕРОМЕТРОВ И ДАТЧИКОВ УГЛОВОЙ СКОРОСТИ ПРИ ШЕСТИ ИЗМЕРИТЕЛЯХ В КАЖДОМ ТРАКТЕ В БЕСПЛАТФОРМЕННОЙ ИНЕРЦИАЛЬНОЙ НАВИГАЦИОННОЙ СИСТЕМЕ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА Российский патент 2016 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 отбора достоверной информации тракта акселерометров (АКС) в составе трех каналов по три грани в каждом канале. При этом оси чувствительности акселерометров одного канала коллинеарны [1].

Отбор достоверного значения кажущегося ускорения в каждом из каналов осуществляется взятием среднего по уровню показания акселерометров трех граней канала.

Недостатками известного способа являются:

1. Увеличение массы, габаритов и стоимости аппаратуры вследствие применения конфигурации, состоящей из девяти акселерометров;

2. Невысокий уровень защищенности от отказов. Тракт из девяти акселерометров сохраняет работоспособность при отказе измерителя любой одной грани из трех в одном канале, отказ второй грани в канале приводит к нарушению работоспособности системы.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ получения достоверной информации, реализованный в работе [2]. Технический результат данного патента - резервирование блока акселерометров, состоящего из семи датчиков, обеспечивающего безотказную работу тракта до двух отказов. Его недостатком по сравнению с предлагаемым способом является снижение точности выходной информации как результат формирования достоверного вектора по показаниям трех измерителей. Резерв повышения точности за счет избыточной информации исправных датчиков не используется.

Задачей изобретения является отбор достоверной информации и идентификация отказов акселерометров и датчиков угловой скорости (ДУС) при шести измерителях в каждом тракте бесплатформенной инерциальной навигационной системы (БИНС), что позволяет обеспечивать ее безотказную работу, 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 шести измерителях в каждом тракте 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 вычисляются при всех возможных комбинациях троек измерителей. По векторам в каждой группе рассчитывают средний вектор и показатель разброса векторов группы относительно среднего вектора, находят группу с минимальным показателем разброса из всех групп тракта в текущем цикле и средний вектор этой группы. Последовательно выполняют аналогичные действия применительно сначала к составу групп, который отличается от полного состава групп исключением группы с первым найденным, а затем с двумя найденными минимальными показателями разброса рассчитывают модули разности между каждым из трех средних векторов упомянутых групп и средним вектором, который был вычислен и записан в память вычислителя как достоверный вектор предыдущего цикла. Находят минимальный модуль разности из трех, средний вектор, модуль разности которого с достоверным вектором предыдущего цикла минимален, 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 результатов сравнения с допуском модулей разности фактического и расчетного показаний двух измерителей, показания которых не использованы в расчете достоверного вектора. При этом расчетное показание определяют как проекцию достоверного вектора на ось чувствительности каждого из проверяемых измерителей. Если модули разности фактического и расчетного показаний не превышают допуск, определяемый погрешностью измерений, проверяемый измеритель считается исправным, в противном случае его маркируют как неисправный в текущем цикле с указанием номера.

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

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

Способ осуществляется следующим образом.

Производится циклический синхронный опрос акселерометров и датчиков угловой скорости, обеспечивающий идентичность векторов, вычисляемых по показаниям исправных измерителей.

Определяют векторы кажущегося ускорения и угловой скорости в цикле опроса показаний акселерометров и датчиков угловых скоростей, жестко связанных с корпусом летательного аппарата при шести 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 из трех линейных уравнений, составленных как скалярные произведения матрицы направляющих косинусов измерителей на искомый измеряемый вектор:

где:

- матрица направляющих косинусов осей чувствительности измерителей i, j, k;

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

- искомый вектор, определенный по показаниям измерителей i, j, k.

Минимальное количество измерителей в каждом тракте, обеспечивающее безотказную работу БИНС до двух отказов равно шести.

Число возможных векторов, рассчитанных по тройкам измерителей, равно числу сочетаний из шести по три, $$C_6^3=20векторов$$ .

Полученные 20 векторов распределяют по группам, каждая группа состоит из четырех векторов, рассчитанных по показаниям четырех из шести измерителей. Так, первая группа включает векторы 345, 346, 356, 456. Измерители с номерами 1 и 2 в расчете векторов первой группы не используются.

Число групп по четыре вектора, равно числу сочетаний из шести по четыре, $$C_6^4=15групп$$ . 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 группы 1 тракта определяется как

Соответствующий показатель разброса записывается следующим образом:

Работоспособность измерительного тракта сохраняется, если:

a) все измерители исправны;

b) неисправен один измеритель;

c) неисправны два измерителя.

Достоверный вектор тракта в текущем цикле находят в результате выполнения следующих действий:

1. Из полного состава групп (пятнадцати) находят группу, содержащую минимальный показатель разброса и средний вектор этой группы.

2. Сокращают состав групп до четырнадцати исключением из первоначального полного состава групп группы с первым найденным минимальным показателем разброса, выделяют группу с минимумом показателя разброса из четырнадцати групп и соответствующий средний вектор.

3. Сокращают состав групп до тринадцати исключением из состава групп по п. 2 группы, содержащей минимальный показатель разброса из четырнадцати групп, находят группу с минимумом показателя разброса из тринадцати групп и средний вектор этой группы.

4. Вычисляют модули разностей между достоверным вектором предыдущего цикла и каждым из трех средних векторов, определенных пп. 1, 2, 3.

5. Из трех модулей разностей выбирают минимальный модуль. Средний вектор, который использован при формировании минимального модуля, принимают за достоверный вектор в текущем цикле.

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 измерителей в следующем цикле.

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

Действия по пп. 1÷5 обеспечивают отбор достоверного вектора текущего цикла во всех случаях «a», «b», «c», в том числе при двух отказах с показаниями неисправных измерителей, коррелированными со значениями направляющих косинусов осей чувствительности измерителей. В последнем случае возможно появление двух и трех групп, показатели разброса которых близки к нулю, но только в одной из них, векторы которой рассчитаны по показаниям исправных измерителей, средний вектор близок к измеряемому вектору и принимается за достоверный вектор тракта в текущем цикле. Векторы одной или двух других указанных групп с нулевыми значениями показателей разброса вычислены по показаниям двух исправных и двух неисправных измерителей, их средние векторы содержат некорректную информацию и должны быть исключены из претендентов быть достоверными векторами в текущем цикле, что и выполняется в результате действий по пп. 2÷5.

Таким образом, отбор достоверного вектора тракта из шести измерителей с работой до двух отказов выполняется по одному правилу без учета особенностей показаний измерителей.

Идентификация отказов измерителей осуществляется исходя из исправности четырех измерителей, по показаниям которых вычислен достоверный вектор, и результатов сравнения с допуском модулей разности фактического и расчетного показаний каждого из двух проверяемых измерителей. Расчетные показания определяют как проекции достоверного вектора текущего цикла на оси чувствительности проверяемых измерителей, а допуск определяется инструментальными погрешностями датчиков. Если модуль разности меньше допуска, проверяемый измеритель считается исправным, в противном случае его маркируют как неисправный в текущем цикле с указанием номера.

Предлагаемый способ отбора достоверной информации и идентификации отказов дополнен решением, направленным на повышение живучести БИНС за счет возможного продолжения функционирования при возникновении нерасчетных нештатных ситуаций с одновременным отказом трех измерителей тракта. Данная задача решается выделением из двадцати векторов тракта единственного вектора, полученного обработкой показаний трех измерителей. С этой целью выполняются следующие действия:

6. Вычисленный в соответствии с п. 5 достоверный вектор текущего цикла сравнивают с достоверным вектором предыдущего цикла. Если модуль разности векторов превышает допуск, установленный исходя из максимально возможного изменения модуля измеряемого вектора по траектории полета, то это означает факт числа отказов в тракте, большего двух. В таком случае продолжение функционирования БИНС возможно, если число отказов не превышает трех.

7. Аналогично п. 6 последовательно сравнивают с допуском по п. 6 векторы тракта. Сравнение происходит до тех пор, пока среди векторов тракта не будет выявлен вектор, модуль разности которого с достоверным вектором предыдущего цикла меньше указанного допуска. Если искомый вектор выявлен, его принимают за достоверный вектор текущего цикла и заменяют этим вектором вектор, отобранный в соответствии с п. 5. В качестве неисправных маркируют измерители, показания которых не использованы в расчете компонент выявленного вектора.

Технический результат предлагаемого изобретения состоит в следующем:

1. Обеспечение безотказной работы БИНС при минимальном количестве измерителей кажущегося ускорения и угловой скорости при одном и двух отказах.

2. Идентификация отказов с указанием номеров неисправных измерителей.

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 избыточности информации возможных комбинаций троек измерителей;

- фильтрация некорректной выходной информации при выдаче двумя неисправными датчиками показаний, коррелированных со значениями направляющих косинусов измерителей.

4. Осуществление отбора достоверной информации только на основании показаний акселерометров и ДУСов 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 достоверной информации для дефектации неисправных измерителей при проведении предполетных испытаний аппаратуры БИНС.

6. Предотвращение аварии ЛА при отказе трех измерителей тракта.

Работоспособность предлагаемого решения подтверждена результатами моделирования с использованием реальной телеметрической информации, записанной в полете ЛА с акселерометров, установленных на корпусе ЛА. 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 шести 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 по четыре вектора, вычисленные по показаниям четырех измерителей. По векторам в каждой группе рассчитывают средний вектор и показатель разброса относительно среднего вектора. Находят группу с минимальным показателем разброса из показателей разброса всех групп тракта в текущем цикле. Последовательно выполняют аналогичные действия применительно сначала к составу групп, который отличается от полного состава групп исключением группы с первым найденным, а затем с двумя найденными минимальными показателями разброса. Рассчитывают модули разности между каждым из трех средних векторов упомянутых групп с минимальными показателями разброса и средним вектором, который был вычислен и записан в память вычислителя как достоверный вектор предыдущего цикла. Находят минимальный модуль разности из трех. Средний вектор, модуль разности которого с достоверным вектором предыдущего цикла минимален, принимают за достоверный вектор текущего цикла. Значения компонент достоверного вектора текущего цикла записывают в память вычислителя. Отказы измерителей идентифицируют, исходя из исправности измерителей, по показаниям которых вычислен достоверный вектор, и результатов сравнения с допуском модулей разностей фактического и расчетного показаний двух измерителей, показания которых не использованы в расчете достоверного вектора. При этом расчетные показания определяют как проекции достоверного вектора на оси чувствительности каждого из двух проверяемых измерителей. Если модуль разности фактического и расчетного показаний не превышает допуск, определяемый погрешностью измерений, проверяемый измеритель считается исправным, в противном случае его маркируют как неисправный в текущем цикле с указанием номера.

Литература

1. «Системы наведения» под ред. Л.А. Майбороды и В.М. Миронова, МО СССР, 1986 г., стр. 294-295.

2. «Устройство резервирования акселерометров в системе управления (СУ)», патент RU 2142645 С1 авторов Иванушкина С.В., Кончагина А.А., Нижегородова Л.А.

Изобретение относится к области создания систем управления летательных аппаратов (ЛА), преимущественно к способам получения достоверной информации и диагностики работоспособности акселерометров и датчиков угловой скорости (ДУС) ЛА с избыточным числом измерителей и идентификацией их отказов. В способе отбора достоверной информации и идентификации измерителей, при шести измерителях в каждом тракте бесплатформенной инерциальной навигационной системы (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 каждой группы рассчитывают средний вектор и показатель разброса относительно среднего вектора, находят группу с минимальным показателем разброса из всех групп тракта в текущем цикле и средний вектор этой группы. Последовательно выполняют аналогичные действия применительно сначала к составу групп, который отличается от полного состава групп исключением группы с первым найденным, а затем с двумя найденными минимальными показателями разброса, рассчитывают модули разности между каждым из трех средних векторов упомянутых групп и средним вектором, который был вычислен и записан в память вычислителя как достоверный вектор предыдущего цикла. Находят минимальный модуль разности из трех. Средний вектор, модуль разности которого с достоверным вектором предыдущего цикла минимален, принимают за достоверный вектор текущего цикла. Отказы измерителей тракта идентифицируют исходя из исправности измерителей, по показаниям которых вычислен достоверный вектор, и результатов сравнения с допуском модуля разности фактического и расчетного показаний проверяемого измерителя, показания которого не использованы в расчете достоверного вектора. При этом расчетное показание определяют как проекцию достоверного вектора на ось чувствительности проверяемого измерителя. Техническим результатом изобретения является отбор достоверной информации и безотказная работа измерительного тракта до двух отказов в каждом тракте, идентификация отказов измерителей при избыточной информации в каждом тракте БИНС. 1 табл.

Способ отбора достоверной информации и идентификации отказов акселерометров и датчиков угловой скорости при шести 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 по четыре вектора, вычисленные по показаниям четырех измерителей, по векторам в каждой группе рассчитывают средний вектор и показатель разброса относительно среднего вектора, находят группу с минимальным показателем разброса из показателей разброса всех групп тракта в текущем цикле, последовательно выполняют аналогичные действия применительно сначала к составу групп, который отличается от полного состава групп исключением группы с первым найденным, а затем с двумя найденными минимальными показателями разброса, рассчитывают модули разности между каждым из трех средних векторов упомянутых групп с минимальными показателями разброса и средним вектором, который был вычислен и записан в память вычислителя как достоверный вектор предыдущего цикла, находят минимальный модуль разности из трех, средний вектор, модуль разности которого с достоверным вектором предыдущего цикла минимален, принимают за достоверный вектор текущего цикла, значения компонент достоверного вектора текущего цикла записывают в память вычислителя, отказы измерителей идентифицируют, исходя из исправности измерителей, по показаниям которых вычислен достоверный вектор, и результатов сравнения с допуском модулей разностей фактического и расчетного показаний двух измерителей, показания которых не использованы в расчете достоверного вектора, при этом расчетные показания определяют как проекции достоверного вектора на оси чувствительности каждого из двух проверяемых измерителей, 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.