Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Анализ состояния вопроса, обоснование актуальности проблемы и математических методов еерешения 14
1.1 Требования к навигационному обеспечению наземных подвижных объектов и анализ существующих навигационных комплексов 14
1.2 Пути повышения точности и качества функционирования навигационных комплексов наземных подвижных объектов 21
1.3 Выбор и обоснование методов оптимизации и комплексирования информации в навигационных комплексах наземных подвижных объектов ... 24
1.4 Постановка задачи диссертационного исследования 27
1.5 Выводы по разделу 1 29
ГЛАВА 2 Разработка математических моделей сигналов, информационных и сопутствующих параметров 30
2.1 Принципы построения математических моделей 30
2.2 Математические модели сигналов на выходе радиотехнических измерителей 34
2.2.1 Математические модели сигналов на выходе аппаратуры приема сигналов спутниковой радионавигационной системы 34
2.2.2 Математические модели сигналов на выходе аппаратуры приема сигналов наземных сетевых систем 35
2.3 Математические модели сигналов на выходе нерадиотехнических измерителей 38
2.3.1 Математические модели сигналов на выходе инерциальной навигационной системы 38
2.3.2 Математическая модель сигнала на выходе магнитного компаса 40
2.3.3 Математическая модель сигнала на выходе датчика скорости 40
2.3.4 Математическая модель сигнала на выходе барометрического высотомера 42
2.4 Математическая модель движения наземного подвижного объекта 43
2.4.1 Математическая модель движения наземного подвижного объекта в горизонтальной плоскости. 43
2.4.2 Математическая модель движения наземного подвижного объекта в вертикальной плоскости 45
2.5 Выводы по разделу 2 47
ГЛАВА 3 Синтез комплексных оптимальных алгоритмов обработки информации с контролем целостности навигационных данных спутниковых радионавигационных систем 48
3.1 Синтез комплексных оптимальных алгоритмов обработки информации в горизонтальной плоскости движения объекта 48
3.1.1 Постановка задачи 48
3.1.2 Потенциальные характеристики точности синтезированных комплексных оптимальных алгоритмов обработки информации вгоризонтальной плоскости движения объекта 52
3.2 Синтез комплексных оптимальных алгоритмов обработки информации в вертикальной плоскости движения объекта с контролем целостности навигационных данных спутниковых радионавигационных систем... 58
3.2.1 Постановка задачи 58
3.2.2 Потенциальные характеристики точности синтезированных комплексных оптимальных алгоритмов обработки информации ввертикальной плоскости движения объекта 60
3.3 Структурная схема перспективного навигационного комплекса наземных подвижных объектов 65
3.4 Исследование потенциальных характеристик точности синтезированных комплексных оптимальных алгоритмов обработки информации 67
3.5 Разработка структурной схемы перспективного навигационного комплекса наземных подвижных объектов с автономной системой контроля целостности навигационных данных спутниковых радионавигационных систем 76
3.5.1 Разработка автономной системы контроля целостности 76
3.5.2 Структурная схема перспективного навигационного комплекса наземных подвижных объектов с автономной системой контроля целостности навигационных данных спутниковых радионавигационныхсистем 79
3.6 Выводы по разделу 3 83
ГЛАВА 4 Анализ работы комплексных оптимальных алгоритмов обработки информации с контролем целостности навигационных данных спутниковых радионавигационных систем методом имитационного моделирования 85
4.1 Разработка методики имитационного моделирования 85
4.2 Анализ работы комплексных оптимальных алгоритмов обработки информации в вертикальной плоскости движения объекта с контролем целостности навигационных данных спутниковых радионавигационных систем 88
4.2.1 Анализ работы комплексных оптимальных алгоритмов обработки информации в вертикальной плоскости движения объекта с контролем целостности навигационных данных спутниковых радионавигационных систем при резком изменении относительной высоты объекта 88
4.2.2 Анализ работы комплексных оптимальных алгоритмов обработки информации в вертикальной плоскости движения объекта с контролем целостности навигационных данных спутниковых радионавигационных систем при линейном изменении относительной высоты объекта 91
4.3 Алгоритм работы автономной системы контроля целостности... 95
4.4 Реальные характеристики точности синтезированных комплексных оптимальных алгоритмов обработки информации в вертикальной плоскости движения объекта 98
4.5 Выводы по разделу 4 100
Заключение 101
Список сокращений и условных обозначений 103
Список литературы
- Выбор и обоснование методов оптимизации и комплексирования информации в навигационных комплексах наземных подвижных объектов
- Математические модели сигналов на выходе нерадиотехнических измерителей
- Потенциальные характеристики точности синтезированных комплексных оптимальных алгоритмов обработки информации вгоризонтальной плоскости движения объекта
- Анализ работы комплексных оптимальных алгоритмов обработки информации в вертикальной плоскости движения объекта с контролем целостности навигационных данных спутниковых радионавигационных систем при резком изменении относительной высоты объекта
Введение к работе
Актуальность диссертационной работы. Для решения задач навигации наземных подвижных объектов (НПО) используются навигационные комплексы, которые предназначены для определения текущих координат и параметров движения НПО. Комплекс представляет собой сложную информационно-навигационную систему, основными элементами которой являются спутниковая радионавигационная система (СРНС) и инерциальная навигационная система. Навигационный комплекс НПО обеспечивает решение большого спектра задач: от простой навигации по маршруту для нужд логистики, требующей определения координат местоположения со средне-квадратической ошибкой ~100 м, до решения специальных задач, таких как поисково-спасательные работы, задачи Минобороны России, МВД России, ФСБ России и других, требующих определения координат местоположения со среднеквадратической ошибкой ~5 – 15 м.
Современные навигационные комплексы НПО такие, как «Трона-1», «Азимут», «АВТОНАВ» обеспечивают определение координат местоположения со среднеквадратической ошибкой ~10 м. Однако, при пропадании сигнала от СРНС на входе приемного устройства, современные навигационные комплексы не могут длительное время обеспечивать требуемую точность определения координат НПО. Так навигационный комплекс «АВТОНАВ» через 40 с после пропадания сигнала от СРНС позволяет определять координаты местоположения НПО со среднеквадратической ошибкой ~20 – 40 м, а через 5 мин со среднеквадратической ошибкой ~200 м. Для обеспечения высокой точности определения координат, при отсутствии сигнала СРНС, информационную систему навигационного комплекса НПО предложено дополнить радиотехнической системой, сравнимой по своим возможностям со СРНС.
Кроме высокой точности определения координат НПО, навигационные комплексы должны обеспечивать контроль целостности навигационной информации, под которым понимается комплекс мероприятий по мониторингу состояния радионавигационного поля СРНС и своевременному оповещению потребителей СРНС о снижении качества навигационного обслуживания. При проведении поисково-спасательных работ время, необходимое для выявления факта нарушения целостности, не должно превышать 15 – 30 с. В настоящее время современные навигационные комплексы НПО не оснащены системами контроля целостности навигационных данных, поступающих от СРНС.
Одним из конструктивных путей выполнения данных требований является разработка комплексных алгоритмов обработки информации с использованием методов марковской теории оптимального оценивания.
Требование контроля целостности навигационных данных СРНС в навигационном комплексе приводит к усложнению задачи синтеза оптимальных алгоритмов обработки информации, что связанно с необходимостью разработки автономного метода контроля целостности навигационных данных СРНС, а, соответственно, и к новой постановке задачи синтеза комплексных алгоритмов оценивания координат и параметров движения НПО.
Научная актуальность диссертационной работы обусловлена необходимостью разработки метода и комплексных алгоритмов совместной идентификации достоверности навигационных данных СРНС и оценивания координат и параметров движения НПО.
Диссертационное исследование проводилось в рамках гранта РФФИ 14-08-00523 А «Теоретические основы построения радиоэлектронных комплексов с реконфигурируемой информационной системой».
Практическая актуальность диссертационной работы определяется:
– необходимостью создания точного навигационного обеспечения НПО при отсутствии сигналов СРНС;
– необходимостью обеспечения надежного навигационного обеспечения, за счет создания автономной системы контроля целостности навигационных данных СРНС.
Цель диссертационной работы – повышение точности навигационного обеспечения НПО при пропадании сигнала от СРНС и обеспечение целостности навигационных данных СРНС за счет комплексной и оптимальной обработки информации в навигационных комплексах НПО.
Объект исследования – навигационные комплексы наземных подвижных объектов.
Предмет исследования – методы автономного контроля целостности навигационных данных СРНС и алгоритмы оценивания координат и параметров движения НПО.
Задачи исследования:
– анализ существующих методов контроля целостности навигационных данных СРНС, а также алгоритмов оценивания координат и параметров движения в навигационных комплексах НПО;
– синтез комплексных оптимальных алгоритмов совместной идентификации достоверности навигационных данных СРНС и оценивания координат и параметров движения НПО структурно-параметрическими методами;
– разработка метода работы автономной системы контроля целостности навигационных данных СРНС;
– разработка структурной схемы перспективного навигационного комплекса НПО с автономной системой контроля целостности навигационных данных СРНС;
– анализ потенциальных характеристик точности синтезированных комплексных оптимальных алгоритмов оценивания координат и параметров движения НПО;
– анализ методом имитационного моделирования реальных характеристик точности синтезированных комплексных оптимальных алгоритмов оценивания координат и параметров движения НПО;
– анализ методом имитационного моделирования алгоритмов работы автономной системы контроля целостности навигационных данных СРНС.
Научная новизна результатов заключается в том, что:
1) предложен новый метод автономного контроля целостности навигационных данных СРНС, отличающийся от известных тем, что для осуществ-
ления контроля целостности используется информация от барометрического высотомера и инерциальной навигационной системы;
-
для синтеза комплексных оптимальных алгоритмов оценивания координат и параметров движения в навигационных комплексах НПО впервые произведено разделение модели движения объекта на две независимые модели, описывающие движение в горизонтальной и вертикальной плоскостях;
-
предложена новая модель выходного сигнала датчика скорости, позволяющая использовать его только в горизонтальной плоскости движения НПО;
-
на основе системного анализа недостатков существующих навигационных комплексов НПО впервые предложено использовать информацию от наземных сетевых систем для повышения точности определения координат и параметров движения НПО при пропадании сигналов СРНС;
-
предложена новая модель выходного сигнала аппаратуры приема сигналов СРНС по высоте, представляющая его в виде суммы относительной высоты объекта и радиус-вектора геоцентрической системы координат;
-
синтезированы комплексные оптимальные алгоритмы оценивания координат и параметров движения НПО, отличающиеся от известных тем, что позволяют дополнительно осуществлять автономный контроль целостности навигационных данных СРНС и управлять информационной системой навигационного комплекса НПО;
-
предложен новый подход к определению координат местоположения НПО при помощи аппаратуры приема сигналов наземных сетевых систем Global System for Mobile Communications (GSM) и Universal Mobile Telecommunications System (UMTS), отличающийся тем, что для определения координат используется позиционный метод.
Практическая ценность диссертационной работы заключается в том, что разработана структурная схема перспективного навигационного комплекса НПО с автономной системой контроля целостности навигационных данных СРНС.
Достоверность полученных результатов подтверждается корректным использованием апробированного математического аппарата теории марковских и условных марковских процессов, теории принятия решений, марковской теории оптимального оценивания случайных процессов, а также сравнением результатов имитационного моделирования характеристик точности разработанных алгоритмов с аналогичными характеристиками современных навигационных комплексов НПО.
На защиту выносятся следующие основные положения:
-
Постановка задачи синтеза и синтезированные комплексные оптимальные алгоритмы совместной идентификации достоверности навигационных данных СРНС и оценивания координат и параметров движения НПО.
-
Метод контроля целостности навигационных данных СРНС.
-
Структурная схема перспективного навигационного комплекса НПО с автономной системой контроля целостности навигационных данных СРНС.
4. Результаты исследований потенциальных и реальных характеристик точности синтезированных комплексных оптимальных алгоритмов оценивания координат и параметров движения в навигационных комплексах НПО, а также алгоритмов работы автономной системы контроля целостности навигационных данных СРНС путем имитационного моделирования.
Апробация полученных результатов. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались: на Международной научной конференции «Технические науки: теория и практика» (Чита, апрель 2012 г.); региональной научно-практической конференции курсантов, студентов, молодых ученых, посвященной Дню образования войск связи «Научные чтения имени Александра Степановича Попова» (Воронеж, октябрь 2012 г.); II Международной научной конференции «Технические науки в России и за рубежом» (Москва, ноябрь 2012 г.); Всероссийской научно-практической конференции курсантов, студентов, молодых ученых, посвященной Дню образования войск связи «Современное состояние и перспективы развития систем связи и радиотехнического обеспечения в управлении авиацией» (Воронеж, октябрь 2013 г.); II Международной научной конференции «Технические науки: традиции и инновации» (Челябинск, октябрь 2013 г.); научной студенческой конференции «Проблемы техногенной безопасности и устойчивого развития» ассоциации «Объединенный университет им. В. И. Вернадского (Тамбов, декабрь 2013 г.); Международной конференции с элементами научной школы «Актуальные проблемы энергосбережения и энергоэффективности в технических системах» (Тамбов, апрель 2014 г.); XXVII Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Тамбов, июнь 2014 г.); Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых, слушателей и курсантов, посвященной 95-летию со Дня образования войск связи «Современное состояние и перспективы развития систем связи и радиотехнического обеспечения в управлении авиацией. III научные чтения имени А. С. Попова» (Воронеж, октябрь 2014 г.); II Международной конференции с элементами научной школы «Актуальные проблемы энергосбережения и энергоэффективности в технических системах» (Тамбов, апрель 2015 г.); III Международной научной конференции «Технические науки: проблемы и перспективы» (Санкт-Петербург, июль 2015 г.); Всероссийской научно-технической конференции слушателей, курсантов и молодых ученых, посвященной Дню образования войск связи «Современное состояние и перспективы развития систем связи и радиотехнического обеспечения в управлении авиацией. IV научные чтения имени А. С. Попова» (Воронеж, октябрь 2015 г.).
Реализация результатов работы: по материалам диссертации получен патент на изобретение, результаты диссертационной работы внедрены в АО «Воронежский научно-исследовательский институт «Вега», а также в учебные процессы ФГБОУ ВО «ТГТУ» и ВУНЦ ВВС «ВВА имени профессора Н. Е. Жуковского и Ю. А. Гагарина».
Публикации. По результатам исследований опубликовано 23 печатные работы, из которых: 11 статей (6 статей в журналах, утвержденных перечнем ВАК); 10 тезисов докладов научных конференций; 1 патент на изобретение; 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Соответствие диссертации паспорту специальности. Работа соответствует паспорту специальности 05.13.01 – Системный анализ, управление и обработка информации, пунктам 2, 4, 7.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемых источников и четырех приложений. Диссертация содержит 126 страниц машинописного текста, 33 рисунка и 2 таблицы.
Выбор и обоснование методов оптимизации и комплексирования информации в навигационных комплексах наземных подвижных объектов
Повышение точности и качества функционирования навигационных комплексов НПО возможно двумя взаимодополняющими друг друга направлениями [15]. Первое это совершенствование устройств и систем, входящих в их состав, а также введение в их состав новых систем [16]. Второе – это разработка современного алгоритмического обеспечения [17]. В качестве первого направления совершенствования навигационных комплексов НПО целесообразно включить в их состав радиотехническую систему сравнимую по своим возможностям со СРНС, которая позволяла бы определять координаты и параметры движения объекта при отсутствии сигналов от СРНС. Такими системами могут быть радиотехнические системы дальней навигации (РСДН), радиотехнические системы ближней навигации (РСБН) или информационные наземные сетевые системы GSM и UMTS. Радиотехнические системы дальней навигации («Маршрут», «Чайка», «Тропик-2П», «Марс-75», «LORAN-C») не удовлетворяют требованиям по точности определения координат НПО. Например, навигационный комплекс «Ориентир», выпускаемый ОАО НВП «ПРОТЕК» [9], представленный в таблице 1.2, обеспечивает определение координат по сигналам станций «Чайка» и «LORAN-C» с точностью 500 м. Использование же радиотехнических систем ближней навигации (РСБН-8Н, РМА-90, РМД-90, DVOR-2000, DМЕ-2000, ПРС-АРК, РНС БРАС-3, РС-10, ГРАС-2, «Крабик-Б», «Крабик-БМ») не удовлетворяет требованиям по доступности, т.к зона действия этих систем ограничена зоной действия радиомаяков. Наиболее перспективными на сегодняшний день являются информационные наземные сетевые системы GSM и UMTS [18, 19], которые позволяют определять координаты объекта с точностью до 10 м [20]. В настоящее время для определения координат в сетях сотовой связи приходится делать запросы на базовые станции НСС для получения от них координат местоположения абонента. При этом информация о местоположении выдается абоненту с задержкой, определяемой временим от получения запроса центром коммутации и вычисления координат местоположения до отправки сообщения о местонахождении абоненту. Определение координат возможно и без использования запросов на базовые станции с помощью позиционного метода [21], использование которого позволяет вычислять координаты местоположение практически непрерывно во времени с высокими характеристиками точности.
Другим направлением совершенствования навигационных комплексов НПО является разработка современного алгоритмического обеспечения, позволяющего повысить точность определения координат и параметров движения [22-24].
Учитывая факт возможности нарушения целостности навигационной информации, поступающей от СРНС необходимо, чтобы современные алгоритмы обработки информации в навигационных комплексах НПО могли осуществлять контроль целостности навигационных информации поступающей от СРНС [25]. Нарушение целостности навигационной информации проявляется в виде наличия резко выделяющихся из ряда измерений параметров этих сигналов, что приводит к неправильному определению текущих координат и параметров движения НПО. Существуют следующие способы контроля целостности [25-39]. 1) самоконтроль бортовых систем НКА. Недостатком этого метода контроля является его неполнота, выражающаяся в том, что средства самоконтроля не рассчитаны на обнаружение всех возможных нарушений в работе каждой бортовой системы НКА; неисправности самих средств контроля не обнаруживаются и не сопровождаются передачей соответствующего сообщения потребителям; искажение эфемерид не может быть обнаружено на самом НКА. Кроме того, при данном способе контроля целостности требуется до 1 мин. для выдачи информации о факте нарушения целостности, что не удовлетворяет требованиям [4, 33, 34]. 2) наземный контроль. Качество навигационного поля СРНС контролируется специальной аппаратурой из состава наземного сегмента, а именно, аппаратурой контроля информационного поля. После соответствующего отказа на борту НКА аппаратура контроля поля обеспечивает формирование признака его неисправности в альманахах системы всех спутников не позднее, чем через 16 ч. Дискретность передачи данного признака в служебных сообщениях составляет 2,5 мин, что не удовлетворяет требованиям [4, 33, 34]. 3) автономный контроль целостности. Методы автономного контроля целостности можно разделить на две группы: внешние (Airborne Autonomous Integrity Monitoring (AAIM)) и внутренние (Receiver Autonomous Integrity Monitoring (RAIM)). Внешние методы основаны на избыточной информации, получаемой от других навигационных устройств и систем, имеющихся в наличии у потребителя, и предполагают комплексную обработку навигационной информации от аппаратуры потребителей СРНС и других навигационных устройств и систем. Внутренние методы используют избыточность информации собственно самой СРНС.
Перспективными на сегодняшний день являются автономные системы контроля целостности, в следствии их оперативности, а также независимости от внешнего канала передачи данных. Это обусловлено тем, что использование внешних систем контроля целостности не позволяет удовлетворить требованиям по времени обнаружения и исключения ложной навигационной информации из обработки в навигационном комплексе НПО.
Также важную роль в повышении точности и качества функционирования навигационных комплексов НПО играют принципы их построения, которые основаны на комплексировании навигационной информации, поступающей от различных навигационных датчиков и систем. Современный навигационный комплекс представляет собой сложную информационно-навигационную систему, обеспечивающую выполнение заданных функций несколькими различными способами, отличающимися уровнями качества функционирования. В связи с этим, появление отказов отдельных элементов или значительные изменения у них тех или иных рабочих параметров не должны приводить к полному выходу всего комплекса из строя, а лишь к некоторому ухудшению качества функционирования и снижению эффективности системы в целом.
Математические модели сигналов на выходе нерадиотехнических измерителей
Инерциальная навигационная система представляет собой стабилизируемую в горизонтальной плоскости свободную в азимуте платформу, на которой установлены акселерометры. Начало инерциальной системы координат 0ХИУИ2И совпадает с центром масс объекта. Начальная выставка осуществлена, при этом угол начальной выставки оси ОХи относительно направления на Север (ось ОХд нормальной земной системы координат) составляет угол А, ось OZu - направлена вверх по местной вертикали.
Сигналы на выходе скоростного канала ИНС дискретизированы по времени и имеют вид: VxmC(tk+1) = Vxg(tk+1)cosA + Vzg(tk+1)sinA + Exn{tk+1); (2.7) VzmC(tk+1) = -Vxg(tk+1)sinA + Vzg(tk+1)cosA + Ezn{tk+1); (2.8) a HC(tk+1) = ayg(tk+1) + Aay(tk+1) +g + aa Щпау(ік+1), (2.9) где HHC(tfc+1), V HHC(tfc+1) и ciyHC(tk+1) - измеренные значения составляющих горизонтальной скорости и вертикального ускорения соответственно; А - угол начальной выставки инерциальной системы координат; Vxg(tk+1), Vxg(tk+1) и CLyg(tk+1) - истинные значения составляющих горизонтальной скорости в нормальной земной системе координат и вертикального ускорения соответственно; Т = (tk+1 — tk) - интервал дискретизации; д - ускорение свободного падения; аа и аа - коэффициенты, характеризующие ширину спектра погрешности, и дисперсию флуктуационной погрешности ИНС, соответственно; nay(tk+1) - взаимонезависимые выборки гауссовского процесса с нулевым математическим ожиданием и единичной дисперсией; Aay(tk+1) - постоянная составляющая погрешности измерения ускорения; Exn(tk+1), Ezn(tk+1) - ошибки измерения составляющих скорости, в дискретные моменты времени описываемые выражениями: Ехп(Хк+1) = Exn(tk) + TAax(tk) + оа Щпах(ік); (2.10) Ezn(tk+1) = Ezn(tk) + TAaz(tk) + oa \ naz{tk), (2.11) в которых Aax(tk), Aaz(tk) - постоянные составляющие погрешности измерения ускорения. Постоянные составляющие погрешности измерения ускорения, входящие в (2.9)-(2.11), описываются выражениями: Дах(!к+1) = Aax(tk); dazfac+l) = dazfac); (2.12) ay(tfc+l) = ay(tfc). Сигналы на выходе углового канала ИНС дискретизированы по времени и имеют вид: ФШС(!к+1) = (tfe+i) + W(tk+1); (2.13) 7HHC(tfe+i) = yH(tfc+i) + /(tfc+i); (214) i9HHC(tfe+1) = (tfe+i) + dfl(tfc+1), (2.15) где i/ HHC(tfe+1), yHHC(tfe+1) и i9HHC(tfe+1) - измеренные значения курса, крена и тангажа; і/ и(А+іХ Уи( +і) и и( +і) – истинные значения курса, крена и тангажа; Ail (tk+1), Ay(tk+1) и Ad(tk+1) - постоянные составляющие погрешности измерения курса, крена и тангажа, в дискретные моменты времени описываемые выражениями: W(tk+1) = AiP(tk); Ay(tk+1) = Ay(tk); (2.16) Ad(tk+1)=Ad(tk). Среднеквадратические значения флуктуационной погрешности оа и коэффициента, характеризующего ширину спектра погрешности аа для ИНС, составляют оа = 0,03 мс 2 и аа = 50 с-1 [13]. Свяжем с осями НПО связанную систему координат OXсYсZс, начало которой расположим в центре масс объекта, а положение осей зададим следующим образом: ось ОХс направим вдоль продольной оси по ходу движения, ось OZс в сторону правого борта, ось OYс вертикально вверх. Положение связанной системы координат OXсYсZс относительно инерциальной системы координат ОХиУ и характеризуется углами: гри - курса; уи - крена; ди - тангажа. Значения углов і/ и, уи, $и достаточно точно измеряются на борту НПО.
Сигнал на выходе магнитного компаса в дискретные моменты времени описывается выражением: l m(tk+l) = l m(tk+l) + S(tk+1), (2.17) где "фтІРк+і) – измеренное значение магнитного курса; i/ m(tfc+1) - истинное значение магнитного курса; S(tk+1) - ошибка девиации: S(tk+1) = S(tk). (2.18) Значение магнитного курса также можно представить в виде: грт = А+ гри±Лт, (2.19) где Лт - магнитное склонение (считается положительным, если северный конец магнитной стрелки компаса отклонен к востоку от географического меридиана, и отрицательным - если к западу). 2.3.3 Математическая модель сигнала на выходе датчика скорости Датчик скорости (ДС) жестко расположенный на оси ОХс связанной системы координат и измеряет земную скорость движения НПО вдоль продольной оси. Сигнал на выходе датчика движения можно представить в виде VRC(tk+1) = Vxс(tk+1) + адспДс( +1), (2.20) где Vxс(tk+1) - истинное значение скорости движения объекта: сгдс -среднеквадратическая ошибка измерения скорости движения объекта; nRC(tk+1) 41 выборки взаимонезависимых гауссовских процессов с нулевыми математическими ожиданиями и единичными дисперсиями.
Представим истинное значение скорости на выходе датчика скорости через составляющие скорости в нормальной земной системе координат. В этом случае сигнал на выходе датчика скорости (2.20) можно записать в виде VRC(tk+1) = [kx(tk+1)cosA + kz(tk+1)sinA]Vxg(tk+1) + + [kx(tk+1)sinA - kz(tk+1)cosA]Vzg(tk+1) + ky(tk+1)Vyg(tk+1) + (2.21) + Vc(tfe+1), где коэффициенты kx, ky и kz определяются выражениями: kx(tk+i) = cosi9H(tfe+1)cosi/ H(tfe+1); ky(tk+1) = sindu(tk+1); (2.22) kz(tk+i) = -co „(tk+1)sini/)H(tfc+1). Для НПО на малых интервалах времени, соответствующих интервалам дискретизации, вертикальная составляющая вектора скорости Vyg практически не меняется, оставаясь постоянной. В силу этого представим выходной сигнал датчика скорости (2.21) в виде: VRC(tk+1) = [kx(tk+1)cosA + kz(tk+1)sinA]VxJtk+1) + [kx(tk+1)sinA (2.23) -kz{tk+1)cosA\Vzg{tk+1) + ky(tk+1)Vy g(tk) + aRCn c(tk+1), где Vyg(tk) - оценка вертикальной составляющей вектора скорости в момент времени tk. Представление выходного сигнала датчика скорости виде (2.23) позволяет использовать данный сигнал в качестве наблюдения при синтезе алгоритмов оценивания координат и параметров движения только в горизонтальной плоскости движения объекта.
При использовании в составе навигационного комплекса механического датчика скорости, среднеквадратическая ошибка измерения скорости объекта бралась равной адс = 0,5 м/с. 2.3.4 Математическая модель сигнала на выходе барометрического высотомера
Полагаем, что измерение высоты при помощи барометрического высотомера (БВ) осуществляется относительно уровня, соответствующего известному R0 радиус-вектору геоцентрической (сферической) системе координат, систематическая ошибка учитывается при его выставке, сигнал на выходе дискретизирован по времени и имеет вид [27]: tfoTH(tfc+i) = H0TH(tk+1) + AH(tk+1) + BB(tfe+1), (2.24) где HBBH(tk+1) - измеренное значение относительной высоты; H0TH(tk+1) -истинное значение относительной высоты; AH(tk+1) и EBB(tfc+1) -соответственно постоянная составляющая погрешности измерения относительной высоты и флуктуационная погрешность БВ, описываемые выражениями: AH(tk+1) = AH(tk\ (2.25) EBB(tk+1) = (pu(tk+ll tk)EBB(tk) + yu(tk+ll tfe)nBB(tfe), (2.26) в которых Pu(tk+1,tk) = ехр(-аБВГ); , (2.27) Yu(tk+l tk) = 67BByi- (tfe+1,tfe), где аБВ - коэффициент, характеризующий ширину спектра погрешности; аъв -среднеквадратическая ошибка флуктуационной погрешности; nEB(tk) -независимые выборки гауссовского процесса с нулевым математическим ожиданием и единичной дисперсией.
При расчетах значения параметров брались равными: среднеквадратическое значение флуктуационной погрешности БВ аъв = 1 м; коэффициент, характеризующий ширину спектра погрешности БВ аБВ = 10 с-1; постоянная составляющая ошибки измерения относительной высоты БВ алн = 10 м [13].
Потенциальные характеристики точности синтезированных комплексных оптимальных алгоритмов обработки информации вгоризонтальной плоскости движения объекта
Исследование потенциальных характеристик точности синтезированных комплексных оптимальных алгоритмов обработки информации в навигационных комплексах НПО было произведено для следующих случаев: отсутствие сигналов от НСС; отсутствие сигналов от СРНС и совместное оценивание навигационных параметров по сигналам СРНС и НСС
Точность определения координат местоположения НПО по сигналам СРНС работающих в дифференциальном режиме можем достигать 1 м [2, 66], однако не всегда данная точность может быть обеспечена. Уровень приема сигнала от спутников, а как следствие и точность определения координат, зависит от наличия препятствий на пути спутникового сигнала (здания, сооружения, листва деревьев и пр.), а также от погодных условий. Нормальному приему сигналов СРНС могут помешать помехи от многих наземных радиоисточников. Однако, главным фактором, влияющим на снижение точности СРНС, является неполная видимость небосвода. Особенно ярко это проявляется в условиях плотной городской застройки, когда значительная часть небосвода скрыта рядом расположенными строениями и прочими препятствиями. Точность определения координат при этом может упасть до 100 и более метров.
Поэтому целесообразно провести анализ зависимости СКО оценивания координат и составляющих скорости НПО от ошибок измерения координат объекта СРНС, что даст возможность определить, как сильно ухудшаются точность определения координат и составляющих скорости объекта при уменьшении точности определения координат СРНС.
Анализ зависимости потенциальных характеристик точности синтезированных алгоритмов осуществлялся при отсутствии сигналов от НСС, при следующих значениях параметров: - СКО измерения координат местоположения объекта СРНС о-срнс = асрнс = Д.СРНС = 5 - 100 м.
Зависимость среднеквадратических ошибок оценивания координат Хд, Zg, Нотн местоположения НПО от ошибок измерения координат объекта СРНС асрнс На рисунке 3.12 представлена зависимость СКО оценивания координат Хд, Zg, Нотн местоположения НПО от ошибок измерения координат объекта СРНС 0.СРНС Из графика видно, что с увеличением СКО измерения координат местоположения объекта СРНС точность определения координат падает. Так при СКО измерения координат местоположения объекта СРНС асрнс = асрнс = Д.СРНС = асрнс = 100 м ошибки оценивания координат НПО составляют ах « 26,5 м, az « 33,2 м, ан « 12 м. Vz Vx Vy 3,0 2,5
На рисунке 3.13 представлена зависимость СКО оценивания составляющих скорости Vxg, Vzg, Vyg НПО от ошибок измерения координат объекта СРНС асрнс . Из графика видно, что с увеличением СКО измерения координат местоположения объекта СРНС точность определения составляющих скорости Vxg и Vzg падает. Неизменной остается составляющая скорости Vyg, так как движение НПО в большей степени происходит в горизонтальной плоскости.
Точность определения координат в сетях GSM и UMTS сильно зависит от применяемого метода, с помощью которого происходит определение координат местоположения объекта и может достигать 10 метров [20, 68]. Применение позиционного метода определения координат в сетях GSM и UMTS, использующего информацию о направлении приема сигналов от базовых станций позволяет получить СКО определения координат порядка 15-20 метров [21]. Применение в составе навигационного комплекса аппаратуры приема сигналов НСС дает выигрыш при определении навигационных параметров, а объединение нескольких навигационных систем уменьшает вероятность отказа в выдаче навигационного решения и повышает точность позиционирования. При этом расширяются возможности навигационных комплексов, определяющих координаты НПО находящихся внутри помещений (подземные гаражи, стоянки, ангары и др.), а также в местах, где невозможен прием сигналов от СРНС.
Ниже представлены зависимости СКО оценивания координат и составляющих скорости НПО от ошибок измерения координат объекта НСС, что дает возможность определить, как сильно ухудшаются СКО определения координат и составляющих скорости, при уменьшении точности измерения координат НСС.
Анализ зависимости потенциальных характеристик точности синтезированных алгоритмов осуществлялся при отсутствии сигналов от СРНС, при следующих значениях параметров: - СКО измерения координат местоположения объекта НСС ансс = Д.НСС = Д.НСС = 5 - 100 м.
Анализ работы комплексных оптимальных алгоритмов обработки информации в вертикальной плоскости движения объекта с контролем целостности навигационных данных спутниковых радионавигационных систем при резком изменении относительной высоты объекта
При линейном изменении относительной высоты СРНС Ясрнс на 200 м можно наблюдать линейное изменение оценки вертикальной составляющей скорости Vyg объекта, которое, через 150 с возвращается к стационарному значению. Оценка постоянной составляющей ошибки БВ АН при линейном изменении относительной высоты начинает возрастать (по модулю) и через 200 с приходит к стационарному значению (160 м). Характер изменения оценки постоянной составляющей ошибки оценивания ускорения ИНС А ау объекта, в данном случае не дает возможность однозначно констатировать факт нарушения целостности навигационных данных, что не позволяет использовать данный параметр в качестве основного. Так максимальное значение ошибки оценивания ускорения А при линейном изменении относительной высоты СРНС Ясрнс на 200 м составило 0,35 м/с2, спустя 25 с после выдачи недостоверной информации СРНС, а время переходного процесса 75 с.
Проведенное имитационное моделирование показало, что полученные комплексные оптимальные алгоритмы обработки информации в вертикальной плоскости движения объекта позволяют выявлять факт нарушения целостности навигационных данных СРНС. Возрастание оценки постоянной составляющей барометрического высотомера АН , является основным показателем нарушения целостности навигационной информации, а в качестве дополнительного параметра при сбое в работе НКА может быть использована оценка постоянной составляющей ошибки оценивания ускорения Л ау. 4.3 Алгоритм работы автономной системы контроля целостности
Имитационное моделирование показало, что использование оценок постоянных составляющих ошибок АН и Л ау и задание пороговых значений ЛНтах = 15 м и Даутах — 0,4 м/с2 позволило определить факт нарушения целостности навигационной информации СРНС в случае сбоя - через 5 с. В случае целенаправленного изменения передаваемой информации однозначно судить о факте нарушения целостности по модулю оценок АН и Л ау нельзя, т.к. разница во времени между превышениями пороговых значений ЛНтах и Даутах может превысить допустимое время для обнаружения и исключения недостоверной навигационной информации из обработки (таблица 1.1).
Для устранения данной неопределенности в работе предложено использовать следующий алгоритм работы СПР, суть которого заключается в следующем. На вход СПР подаются модуль оценки постоянной составляющей ошибки БВ \AH (tk+1)\ и модуль оценки постоянной составляющей ошибки оценивания ускорения ИНС Иау(А+і)І , вычисляемые выражениями (3.22) и (3.23), которые поступают на схемы сравнения (ССР1 и ССР2), также на схемы сравнения подаются пороговые значения ЛНтах и Лау соответственно (рисунок 4.6). Если выполняется условие (3.24), то схемы сравнения формируют сигналы логической «1», в противном случае «0», которые поступают на вход логического элемента «И». Согласно таблице истинности сигнал на выходе логического элемента будет равен логической «1», только тогда, когда на его вход будут поданы сигналы высокого уровня, т.е. логические «1». Таким образом, если сигнал на выходе логического элемента равен логической «1», то можно однозначно утверждать о факте нарушения целостности навигационных данных СРНС, т.к. ССР1 и ССР2 сформировали значения логической «1», т.е. превышение пороговых значений ЛНтах и Лау . Схема принятия решения управляет работой ключевых устройств (КУ1) и (КУ2), разрешая или запрещая прохождение сигналов от аппаратуры приема сигналов СРНС (КУ1) и выходного сигнала от вертикальной подсистемы обработки информации (КУ2) для определения координат и параметров движения НПО. В случае если на выходе логического элемента сигнал высокого уровня, то ключевые устройства (КУ1) и (КУ2) запрещают прохождение сигналов, в противном случае – разрешают.
Учитывая, что при линейном изменении относительной высоты пороговые значения наступают не одновременно, а с достаточно большой задержкой, то необходимо использовать временную задержку между превышением первого и второго пороговых значений. При превышении одного из пороговых значений запускается циклический таймер (ТМ), который в течение 25 с (максимальное время задержки между наступлениями пороговых значений, полученное в результате имитационного моделирования) ждет превышения второго порогового значения, по истечении заданного времени таймер сбрасывается и вновь ожидает превышения пороговых значений (рисунок 4.7). Таким образом, если в течении 25 с, после превышения одного из пороговых значений (3.24), не наступит второго превышения порогового значения, то констатировать факт нарушения целостности нельзя.
Структурная схема алгоритма принятия решения о факте нарушения целостности навигационных данных спутниковых радионавигационных систем при временной задержке наступления превышения пороговых значений
Также возможно использование в алгоритме принятия решения вместо логического элемента «И» логического элемента «ИЛИ», это позволит исключить возможность принятия решения о факте нарушения целостности навигационных данных СРНС при возможном отказе БВ или ИНС, таким образом, повышая достоверность принятия решения.
Применение автономной системы контроля целостности навигационных данных СРНС дало возможность исключать сигналы СРНС в случае сбоя или неточных данных о координатах НКА из обработки навигационных данных, а также выявлять факт отказа аппаратуры приема сигналов СРНС, а использование двух оценок в схеме принятия решения позволило исключить возможность принятия решения о целостности навигационных данных СРНС при возможном отказе БВ или ИНС, повысив тем самым достоверность принятия решения.