Введение к работе
Актуальность темы. Решение задачи высокоточной навигации в ближней зоне требуется в целом ряде приложений. Среди них — задача захода на посадку летательного аппарата, задача контроля положения буксируемого объекта, задача стыковки и т. д. Для решения указанных задач разработан целый ряд навигационных средств. Например, для решения задач управления летательным аппаратом вблизи взлетно-посадочной полосы давно применяется режим радиопеленгации. Это использование всевозможных радиомаяков и систем дальнего и ближнего наведения на источник радиосигнала, а также средств автоматической посадки летательного аппарата с применением курсо-глиссадных систем. Общим принципом является то, что радиосигнал, измеренный в данной точке пространства, определяет положение подвижного объекта и, в ряде случаев, его угловую ориентацию. Для определения пространственного положения летательных аппаратов в зоне аэродрома кроме угломерных средств измерения применяются также радиодальномерные маяки. Использование азимутального и дальномерного маяка в едином комплексе образует радиосистему ближней навигации (РСБН).
В ряде случаев управление летательным аппаратом осуществляется по командам с земли. Типичными представителями такого класса объектов являются беспилотные летательные аппараты. С точки зрения решения задач управления для этого класса объектов необходимо обеспечить контроль пространственного положения и параметров его угловой ориентации относительно ориентиров наблюдателя. Поскольку грузоподъемность таких аппаратов невелика, средства инструментального измерения этих параметров стараются сделать внешними по отношению к движущемуся объекту. Такими средствами могут являться приборы радиолокационного или оптического наблюдения объекта.
В некоторых задачах высокоточной навигации в ближней зоне возможно применение средств глобальной спутниковой навигационной системы (ГНСС).
Технологическая простота ГНСС-технологий позволила эффективно использовать эти методы для относительного позиционирования. Идея заключается в обработке разности измерений двух и более приемников, что требует наличия соответствующей информации в одном вычислителе.
Электромагнитные системы относительного позиционирования, которым посвящена данная работа, позволяют определить параметры взаимного расположения двух объектов с высокой точностью. Характер зависимости параметров поля от расстояния до источника и ориентации по отношению к нему и чувствительность датчиков переменного магнитного поля обеспечивают точность определения координат порядка 1 см, а ошибка определения углов не превышает 1 градуса. В области использования электромагнитных сигналов для решения указанной задачи Р. Смитом была сделана попытка построить систему с измерением параметров поля одного источника переменного магнитного поля, которая, однако, не обеспечивает нужной точности и полноты информации.
Решение, предложенное в диссертационной работе, с одной стороны является развитием идей Р. Смита. В нем также определяются параметры источника по измеренным параметрам поля — решается обратная задача. С другой стороны развивается подход, применяемый в системах электромагнитного позиционирования, построенных с использованием нескольких источников поля, дающих достаточную полноту информации. Реализованный, например, в работах М.В. Желамского, этот метод предполагает вычисление параметров поля по известным параметрам источника, т. е. решение прямой задачи. Взаимное расположение источника и приемника поля при этом получается сопоставлением измеренных и вычисленных его параметров по принципу корреляционно-экстремальных навигационных систем.
Одна из задач, в которой требуется определение не только взаимного расположения двух объектов, но и их взаимной ориентации, это задача относительного позиционирования буксируемого на гибком тросе за
летательным аппаратом объекта в системе аэроэлектромагнитного зондирования (аэроэлектроразведке), применяемой при геофизических исследованиях. Наличие соответствующей информации об относительном расположении летательного аппарата и буксируемого объекта позволяет полностью исключить влияние геометрического фактора на показания электроразведочной системы и получить весь необходимый набор параметров для решения задач интерпретации.
Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка основных принципов построения структур и алгоритмов электромагнитных систем относительного позиционирования и получение на их базе технического решения задачи относительного позиционирования буксируемого за летательным аппаратом объекта на гибком тросе.
Методы исследования. В работе применяются методы линейной алгебры, теории электромагнитного поля, теории функций комплексных переменных, теории дифференциальных уравнений, уравнений в частных производных, теории оптимизации динамики управляемых систем, вычислительной математики.
Научная новизна. Разработан базовый алгоритм определения позиционных и угловых координат объекта на основе измерения параметров переменного магнитного поля, источником которого являются три точечных магнитных диполя, расположенных в одной точке. Данный алгоритм является основой для работы электромагнитных систем относительного позиционирования динамических объектов вблизи источников низкочастотного переменного магнитного поля. Предложены алгоритмы калибровки системы относительного позиционирования и контроля параметров ее измерительных каналов, обеспечивающие высокую точность определения координат. Полученное решение задачи относительного позиционирования впервые позволило определить полный вектор отклика в задаче аэроэлектроразведки с использованием систем с нежесткой базой передатчик-приемник.
Достоверность результатов обеспечивается строгостью применяемого математического аппарата и подтверждается результатами численного моделирования и физических экспериментов при решении задачи относительного позиционирования буксируемого за летательным аппаратом объекта.
Практическая и теоретическая ценность. Теоретические результаты, полученные в диссертационной работе, позволили принципиально по-новому решать задачи относительного позиционирования в ближней зоне с применением электромагнитных систем. Решение задачи относительного позиционирования для летательного аппарата и буксируемого объекта в комплексе аэроэлектроразведки дало возможность исключить влияние относительного перемещения буксируемого объекта, в котором установлен приемник переменного магнитного поля, на показания аэроэлектроразведочной системы. Впервые для подобных комплексов удалось полностью определить параметры полезного сигнала, что открыло новые возможности при интерпретации показаний аэроэлектроразведки.
Реализация и внедрение результатов работы. Результаты работы использованы в Норильском филиале ФГУП «ВСЕГЕИ» и в ЗАО «Геотехнологии», что подтверждается актами о внедрении результатов диссертационной работы. Предлагаемые методы реализованы в аппаратуре и программном обеспечении аэроэлектроразведочных комплексов «ЕМ-4Н» и «Экватор».
Связь с планами работ. Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук в соответствии с планами работ в рамках следующих тем № 312-07 и № 307-10, а также программы фундаментальных исследований Отделения ЭММПУ РАН (Программа 15).
На защиту выносятся следующие основные результаты и положения: 1. Базовый алгоритм определения навигационной информации на основе
измерений параметров переменного магнитного поля трех диполей, излучающих на различных частотах.
-
Структура электромагнитной системы относительного позиционирования в ближней зоне.
-
Структура вспомогательных сигналов, позволяющих контролировать и стабилизировать измерительные характеристики элементов электромагнитной системы относительного позиционирования с целью повышения точности позиционной и угловой информации.
-
Алгоритмы калибровки приемника и системы передающих диполей, позволяющие исключить систематические погрешности в решении задачи относительного позиционирования.
-
Алгоритмы относительного позиционирования для буксируемого за летательным аппаратом объекта в рамках решения задач аэроэлектроразведки.
Апробация результатов работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих всероссийских и международных конференциях: 5-й Международной конференции по аэроэлектроразведке (Финляндия, Хайко Маннор, 2008 г.); 35-й сессии Международного семинара им. Д.Г. Успенского «Вопросы теории и практики геологической интерпретации гравитационных, магнитных и электрических полей» (Ухта, 2008 г.); Международной конференции, посвященной 50-летию Института геофизики УрО РАН «Геофизические исследования Урала и сопредельных регионов» (Екатеринбург, 2008 г.); 16-й Санкт-Петербургской Международной конференции по интегрированным навигационным системам (Санкт-Петербург, ЦНИИ «Электроприбор», 2009 г.); 4-й и 5-й Всероссийской школе-семинаре по электромагнитным зондированиям Земли (Москва, 2009 г. и Санкт-Петербург, 2011 г.); 5-й Всероссийской научно-практической конференции «Перспективные системы и задачи управления» (Домбай, 2010 г.); Научно-технической конференции «Системы управления беспилотными космическими и
атмосферными летательными аппаратами» (Москва, МОКБ «Марс», 2010); с 74-го по 79-й Международный съезд Ассоциации геологоразведчиков и разработчиков Канады — PDAC International Convention (Канада, Торонто, 2006-2011 гг.); с 6-го по 9-й Международный геофизический научно-практический семинар «Применение современных электроразведочных технологий при поисках и разведке месторождений полезных ископаемых» (Санкт-Петербург, Горный университет, 2008-2011 гг.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 статей в ведущих рецензируемых научных журналах [1-5], семь работ в сборниках трудов всероссийских и международных конференций [6-12], а также три публикации в научно-технических журналах [13-15].
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, выводов, списка литературы и приложения. Работа изложена на 112 страницах, содержит 27 иллюстраций. Библиография включает 96 наименований.
Похожие диссертации на Структура и алгоритмы бортовых электромагнитных систем относительного позиционирования
