Введение к работе
Актуальность. Современные беспилотные летательные аппараты (БПЛА) включают класс подвижных объектов, которые для обеспечения скрытности реализуют полет на малой и предельно малой высоте над водной поверхностью. Задача информационного обеспечения системы управления (СУ) движением БПЛА в вертикальной плоскости в условиях маловысотного полета решается за счет совместной обработки данных инерциальной навигационной системы (ИНС) и радиовысотомера (РВ).
Существуют различные средства противовоздушной обороны, в том числе активного радиоэлектронного противодействия, которые способны на ближней дистанции вывести из строя радиотехнические измерители параметров движения БПЛА (например, РВ). Высока вероятность блокирования радиоэлектронных средств БПЛА при полете в зоне барражирования самолетов-поставщиков помех или вблизи мощных радиолокационных станций.
Управление движением БПЛА в вертикальной плоскости должно осуществляться таким образом, чтобы обеспечивать выполнение следующих задач:
A) безопасность движения на участке снижения и при полете на малой высоте;
Б) минимальное отклонение от заданной траектории движения;
B) выполнение задачи БПЛА в условиях наличия активного и пассивного ра
диоэлектронного противодействия.
В рамках указанных задач для информационного обеспечения СУ недостаточно реализовать только совместную обработку информации ИНС и РВ. В условиях волнения необходимо формировать высоту полета БПЛА над гребнями волн, в условиях наличия радиопротиводействия - решать задачу контроля достоверности данных РВ, а в случае его отказа формировать безопасную высоту полета в режиме экстраполяции. Задача контроля информации РВ является определяющей среди задач информационного обеспечения СУ. Только при наличии достоверных данных РВ возможно оценить высоту волны, обеспечить корректную работу фильтра комплексной обработки, формировать минимальное безопасное смещение по высоте, обеспечивающее принудительный подъем БПЛА в случае отказа РВ.
Данные задачи обычно решаются обособленно, иногда в физически разнесенных устройствах, без учета свойств навигационной составляющей ИНС и условий применения. Защита от ложной информации обеспечивается контролем и мониторингом каналов обмена. Основным методом повышения надежности работы информационной системы является аппаратная избыточность применяемых компонент.
В диссертационной работе автором предложены и реализованы комплексный подход к решению информационной задачи, структура, логика и алгоритмы комплексного измерителя высоты (КИВ). Предложены новое решение задачи идентификации ложной информации РВ, адаптивный метод формирования информации для обеспечения безопасного полета БПЛА на малой высоте. Указанные задачи решаются алгоритмически без использования аппаратной избыточности.
Целью работы является повышение тактико-технических характеристик БПЛА за счет применения комплексного подхода к информационному обеспечению системы управления движением в вертикальной плоскости, включающего адаптивные методы повышения достоверности информации о параметрах вертикального движения, логику и алгоритмы использования информации для формирования заданной безопасной траектории движения.
Задачи исследования.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие основные задачи:
информационный анализ задачи управления движением БПЛА в вертикальной плоскости в условиях маловысотного полета над взволнованной водной поверхностью при наличии помех в работе РВ;
декомпозиция основной задачи на подзадачи: оценка внешних условий применения, идентификация ложной информации РВ, совместная обработка данных ИНС и РВ, формирование безопасной высоты при отказах РВ;
анализ существующих методов и научных подходов для решения выделенных подзадач, оценка возможности их адаптации под конкретные условия применения;
синтез информационной структуры и логики функционирования КИВ;
синтез алгоритмов в составе КИВ, решающих выделенные подзадачи информационного обеспечения системы управления;
экспериментальные исследования разработанного КИВ методами математического моделирования в составе модели БПЛА с учетом свойств СУ и материалов натурных испытаний.
Методы исследования. При решении поставленных задач использованы принципы и методы инерциальной навигации, прикладной теории информации и теории систем автоматического управления, теории временных рядов, информационно-статистической теории измерений, теории оптимальной обработки информации, математической теории надежности, математического и имитационного моделирования. Исследования КИВ проводятся в составе комплекса математического моделирования, а также по результатам анализа данных натурных испытаний.
Научная новизна. Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
Предложен новый подход к построению комплексного измерителя высоты, заключающийся в реализации решений задач информационного обеспечения системы управления движением в вертикальной плоскости в едином комплексе и построении адаптивной, настраиваемой в полете, информационной системы.
Предложен новый подход к решению проблемы идентификации ложной информации радиовысотомера, интегрированный в стандартные алгоритмы фильтрации и заключающийся в использовании интервального запаздывания для оценки достоверности данных на интервале времени. Идентификация проводится без использования аппаратной избыточности.
Предложен новый метод формирования критерия идентификации ложной информации радиовысотомера, основанный на использовании параметрической модели временного ряда для прогноза ошибок априорных оценок выхода фильтра Калмана на интервале запаздывания.
Предложено алгоритмическое решение задачи обеспечения расчетного качества управления БПЛА в вертикальной плоскости в случае отказа радиовысотомера за счет оценки ошибок ИНС и характеристик подстилающей поверхности и адаптивной подстройки параметров формирования траектории.
Практическая ценность.
Теоретические решения доведены до практического применения в составе ИИС БПЛА, предназначенных для маловысотного полета. Результаты диссертационной работы внедрены в состав специального программного обеспечения информационно-измерительных систем, разрабатываемых ОАО АНПП «ТЕМП-АВИА».
Предложенные методы информационного анализа, алгоритмы идентификации сбоев и защиты информации могут быть применены в задачах комплексной обработки данных различных измерителей параметров движения (доплеровских измерителей, систем спутниковой навигации) и для различных классов подвижных объектов.
Основным практическим достоинством предложенного в работе комплексного подхода к решению информационной задачи является улучшение тактико-технических характеристик БПЛА без применения аппаратной избыточности и с минимальными экономическими затратами.
На защиту выносятся следующие результаты, полученные лично автором:
новый подход к построению адаптивного комплексного измерителя высоты, реализующего решение задач информационного обеспечения системы управления движением в вертикальной плоскости в едином комплексе;
новый подход к решению проблемы идентификации ложной информации, заключающийся в использовании интервального запаздывания для оценки достоверности данных радиовысотомера на интервале времени;
новый метод формирования критерия идентификации ложной информации, основанный на использовании параметрической модели временного ряда для прогноза ошибок априорных оценок выхода фильтра Калмана;
решение задачи обеспечения расчетного качества управления БПЛА в вертикальной плоскости за счет адаптивной подстройки параметров формирования траектории;
результаты исследования разработанного комплексного измерителя высоты программно-математическими методами на комплексе математического моделирования, а также результаты летных испытаний.
Внедрение работы. Основные результаты диссертационной работы внедрены на предприятии ОАО АНПП «ТЕМП-АВИА» в состав специального программного обеспечения разрабатываемых информационно-измерительных систем.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации доложены автором и обсуждены на 10-й конференции молодых ученых «Навигация и управ-
ление движением» (Санкт-Петербург, ЦНИИ «Электроприбор», 2008г., диплом 1 степени), на 11-й конференции молодых ученых «Навигация и управление движением» (Санкт-Петербург, ЦНИИ «Электроприбор», 2009г., диплом 2 степени), а также ряде отраслевых и Всероссийских научно-технических конференций (на предприятиях ОАО АНПП «ТЕМП-АВИА» и ОАО «Корпорация «Тактическое Ракетное Вооружение»).
Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 11 печатных работах, в том числе 5 статей в журналах из перечня ВАК, по материалам диссертации получен патент на изобретение №2394264 «Устройство для управления полетом над водной поверхностью (варианты)» с приоритетом от 12.05.2008.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 70 наименований. Материал изложен на 158 страницах, включает 61 рисунок и 2 таблицы.
