Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ современных рїнтегрированньіх систем ориентации и навигации морского применения 10
1.1. Современное состояние и проблемы разработки инерциальных модулей интегрированных систем ориентации и навигации 10
1.2. Анализ точности современных интегрированных систем ориентации и навигации 17
1.3. Структура построения и состав предлагаемой интегрированной системы ориентации и навигации для подводных аппаратов 28
1.4. Выводы к первой главе 33
Глава 2. Алгоритмы работы интегрированной системы для подводных аппаратов 34
2.1. Описание конструкции бескарданного гирогоризонткомпаса на электростатическом гироскопе и микромеханических датчиках 34
2.2. Алгоритмы режима начальной выставки и калибровки инерциального блока на микромеханических датчиках 35
2.3. Алгоритмы режима начальной выставки электростатического гироскопа 53
2.4. Алгоритмы навигационного режима работы интегрированной системы 72
2.5. Выводы ко второй главе 91
Глава 3. Исследование точности системы с помощью иммитационного моделирования 92
3.1. Особенности программного обеспечения для моделирования работы интегрированной системы в пакете Matlab (Simulink).
Полная и упрощенная модели погрешностей бескарданного гирогоризонткомпаса з
3.2. Моделирование режима начальной выставки и калибровки инерциального блока на микромеханических датчиках 94
3.3. Моделирование режима начальной выставки электростатического гироскопа 100
3.4. Моделирование навигационного режима работы интегрированной системы. Выработка требований к дискретности обсерваций 107
3.5. Выводы к третьей главе 114
Глава 4. Анализ погрешностей системы с привлечением экспериментальных данных 115
4.1. Начальная выставка и калибровка инерциального блока на микромеханических датчиках при мореходных испытаниях 115
4.2. Начальная выставка и калибровка коэффициентов модели дрейфа электростатического гироскопа при стендовых испытаниях 124
4.3. Оценка точности и времени готовности интегрированной системы ориентации и навигации 128
4.4. Выводы к четвертой главе 129
Заключение 130
Литература
- Анализ точности современных интегрированных систем ориентации и навигации
- Алгоритмы режима начальной выставки и калибровки инерциального блока на микромеханических датчиках
- Моделирование режима начальной выставки и калибровки инерциального блока на микромеханических датчиках
- Начальная выставка и калибровка коэффициентов модели дрейфа электростатического гироскопа при стендовых испытаниях
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время для проведения глубоководных работ и океанографических исследований находят широкое применение автономные необитаемые подводные аппараты. В состав их навигационного оборудования включают различные типы курсоуказателеи, лагов, приемной аппаратуры спутниковых и гидроакустических навигационных систем. При использовании в составе измерительного модуля микромеханических датчиков (ММД): гироскопов (с дрейфом 0,01%) и акселерометров (с погрешностью 0,1 м/с ), можно обеспечить выработку углов качки с приемлемой точностью, привлекая для демпфирования шулеровских колебаний информацию о скорости от лага. Однако остается проблема с выработкой курса, так как современные микромеханические гироскопы «не чувствуют» вращение Земли. Поэтому в измерительном модуле на ММД погрешность по курсу постоянно растет во времени. Проблему обеспечения требований по курсу в интегрированных системах ориентации и навигации (ИСОН) с измерительным модулем низкого уровня точности пытаются решить, в частности, за счет использования приемной аппаратуры спутниковых навигационных систем с разнесенными антеннами (интегрированная система Seapath 200 норвежской фирмы Seatex AS). Однако в системах навигации подводных аппаратов это решение можно использовать только в надводном положении.
Существуют современные бескарданные гирогоризонткомпасы на волоконно-оптических гироскопах. В качестве примера таких систем для морского применения можно привести малогабаритную систему «Зенит СК», производства ОАО «Концерн ЦНИИ «Электроприбор», в которой из-за недостаточной точности используемых гироскопов (ф. «Физоптика» г. Москва) применяется модуляционное вращение измерительного блока. Это приводит к увеличению массогабаритных характеристик и снижению надежности прибора.
Известны зарубежные аналоги: волоконно-оптический гирогоризонткомпас SR 2100 совместной разработки фирм Litton Marine System (США), Sperry Marine Inc. и Decca Marine (Англия), а также системы ориентации и навигации OCTANS и PHINS (ф. IXSEA, Франция). Для обеспечения высокой точности в выработке курса в приведенных выше системах используются малогабаритные прецизионные волоконно-оптические гироскопы уровня 0,01 /ч, отечественных аналогов которых в настоящее время нет.
В диссертации предлагается альтернативная схема построения и алгоритмы работы малогабаритного гирогоризонткомпаса, включающего инерциальный модуль на ММД и один бескарданный электростатический гироскоп (БЭСГ). Данные, поступающие от БЭСГ (разработка ОАО «Концерн ЦНИИ «Электроприбор») используются для ограничения погрешности измерительного блока на ММД по курсу (для ее непрерывной коррекции) в условиях эксплуатации подводного аппарата. При этом вектор кинетического момента БЭСГ при запуске может быть ориентирован либо по оси Мира (полярная ориентация при использовании прибора в низких и средних широтах), либо в плоскости экватора Земли (экваториальная ориентация для высоких широт). К достоинствам такой схемы построения гирогоризонткомпаса следует отнести малые массогабаритные характеристики прибора и возможность функционирования с приемлемой точностью в высоких широтах. При
этом ожидается сохранение точности выработки параметров ориентации объекта на уровне современных зарубежных инерциальных модулей на волоконно-оптических гироскопах.
Основной целью диссертационной работы является разработка схемы построения и алгоритмов работы интегрированной системы ориентации и навигации на основе бескарданного гирогоризонткомпаса на электростатическом гироскопе и блоке микромеханических датчиков для подводных аппаратов.
Непосредственными задачами исследования являются:
анализ современных ИСОН морского применения и их точности;
выработка требований ко времени готовности и погрешностям системы и чувствительных элементов;
разработка структуры построения предлагаемой ИСОН для подводных аппаратов;
создание конструкции и разработка алгоритмов работы ИСОН на основе гирогоризонткомпаса на БЭСГ и блоке микромеханических датчиков;
исследование точности рассматриваемой ИСОН путем имитационного моделирования в паке Matlab (Simulink);
анализ погрешностей системы с привлечением экспериментальных данных стендовых и мореходных испытаний БЭСГ, блока ММД и мультиантенной приемной аппаратуры спутниковой навигационной системы.
Методы исследования. Разработка структуры построения и алгоритмов работы предлагаемой ИСОН базируется на использовании положений общей теории навигации, инерциальной навигации и теории фильтрации. Постановка прикладных задач анализа и оценки системы основана на методологии разработки алгоритмов с использованием концепций объектно-ориентированного программирования для моделирования, имитации и анализа динамических систем.
Научные положения, выносимые на защиту:
Схема построения гирогоризонткомпаса, использующего комплекси-рование информации, поступающей от БЭСГ и блока ММД;
Алгоритмы начальной выставки и навигационного режима работы ИСОН, включающие формирование и линеаризацию измерений с использованием информации от измерительного модуля, гидроакустического лага, глубиномера, приемной аппаратуры спутниковой и гидроакустической навигационной системы;
Модель погрешностей гирогоризонткомпаса, содержащая описание суммарных дрейфов БЭСГ в квазиинерциальной системе координат и позволяющая решать задачу точной начальной выставки системы на ограниченном интервале времени.
Практическая ценность работы состоит в следующем:
1. Разработано программное обеспечение функционирования ИСОН в пакете MATLAB (Simulink), позволяющее моделировать работу системы в различных
режимах с использованием как модельных, так и реальных данных испытаний измерительных модулей;
Создана трехмерная модель и конструкция измерительного блока, что дает возможность оценить массогабаритные характеристики прибора.
По результатам моделирования в пакете MATLAB (Simulink) алгоритмов функционирования ИСОН с привлечением реальных данных испытаний измерительных модулей выработаны и обоснованы требования к точности БЭСГ и блока ММД.
Реализация и внедрение результатов исследований. Результаты работы внедрены в учебный процесс на кафедре информационно-навигационных систем СПбГУ ИТМО. Разработаны методические указания и программное обеспечение для лабораторной работы по исследованию режимов работы гирогоризонткомпаса на БЭСГ и ММД при подготовке магистров по направлению интегрированных инерциально-спутниковых систем.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на XI конференции молодых ученых "Навигация и управление движением, V, VI Всероссийской межвузовской конференция молодых ученых, XXXVIII научной и учебно-методической конференции СПбГУ ИТМО.
Публикации. Основные теоретические и практические результаты диссертации опубликованы в 8 статьях и докладах, из них по теме диссертации 8, среди которых 3 публикации в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных в действующем перечне ВАК. Доклады доложены и получили одобрение на 4 международных, всероссийских и межвузовских научно-практических конференциях перечисленных в конце автореферата. Основные положения защищены патентом.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит 131 страницу основного текста, список использованной литературы из 82 наименований на 8 страницах, 28 рисунков, 4 таблицы и приложения с чертежами на 8 страницах.
Анализ точности современных интегрированных систем ориентации и навигации
Проанализируем точностные характеристики ИСОН, в составе которой предусмотрено использование мультиантенной ПА GPS/ГЛОНАСС с фазовыми измерениями [12, 32, 33, 34], обеспечивающую выработку данных о курсе корабля.
Структурная схема ИСОН, включающей измерительный модуль с реверсными модуляционными поворотами блока на ВОГ типа VG951 и мультиантенную ПА GPS/ГЛОНАСС с фазовыми измерениями, приведена на рис. 1.2.1.
Структурная схема ИСОН на ВОГ типа VG951 Традиционное использование в морских системах модуляционных разворотов или вращения измерительного блока позволяет повысить точность за счет уменьшения влияния постоянных составляющих погрешностей акселерометров и дрейфов гироскопов [35, 36, 37, 38]. В этом случае принципиальным является вопрос точности калибровки и стабильности «румбовых» дрейфов измерительного блока [39, 40]. Эти дрейфы для бескарданных систем обусловлены влиянием возмущающих моментов, связанных как с корпусом измерительного модуля (например, влияние магнитного поля корабля), так и с географическими осями (магнитное поле Земли).
Рассмотрим решение поставленной задачи при следующих исходных данных. Положим, что измерительный модуль (ортогональный трехгранник -xb,yb,zb) в общем случае совершает реверсные повороты вокруг оси zb, ортогональной палубе, по гармоническому закону с амплитудой ±90(180) и периодом 10 мин. Считаем далее, что режим «грубой» выставки [41] измерительного модуля завершен, то есть взаимная ориентация географической системы координат (СК) hl,h2,h3 и трехгранника, который является его приборным аналогом, определяется вектором Лй = [(3 у а] малого угла, где угол а характеризует разворот трехгранника xyz вокруг вертикали места, а углы р,у характеризуют погрешности построения вертикали места соответственно в плоскости меридиана места и в плоскости первого вертикала. В этом случае погрешности сс,р\у в моделировании географического сопровождающего трехгранника, погрешности kVhV&VhlihVhz в выработке соответственно восточной, северной и вертикальной составляющих вектора линейной скорости, погрешности Дф,ДА,,Л/г выработки географических координат места могут быть описаны линейной моделью.
Математическое обеспечение для анализа точности измериетльного модуля и интегрированной системы разработано в пакете MATLAB (Simulink). К особенностям решения на частоте 100 Гц задачи ориентации измерительного блока следует отнести формирование на рабочей частоте первых интегралов от составляющих вектора угловой скорости в осях измерительного блока с учетом модели погрешностей датчиков угловой скорости и первых и вторых интегралов от составляющих вектора кажущегося ускорения с учетом модели погрешностей акселерометров (имитация выходов акселерометров), вычисление в качестве промежуточного кинематического параметра вектора Эйлера, затем кватерниона на основе параметров Родрига-Гамильтона и матрицы направляющих косинусов [42, 43,44,45,46].
Предусмотрен режим калибровки на стенде или объекте, обсервационный режим работы интегрированной системы с привлечением скоростных и позиционных измерений по данным GPS/TJIOHACC [47, 48], а также использование при маневрировании дополнительного курсового измерения, автономный режим с опорой на лаг.
Для совместной обработки данных измерительного блока, GPS и лага используется дискретный алгоритм фильтра Калмана (ФК) [49, 50, 51, 52] 24-го или 25-го порядка с обратной связью по всему вектору состояния на каждом шаге измерений с дискретностью 1 с.
При формировании выходных данных измерительного блока и измерений использовались следующие имитационные модели: Погрешности ВОГ в проекциях на оси измерительного блока: - gXb- Mgyb,kMg:b - нестабильность масштабных коэффициентов ВОГ - случайные величины с уровнем (1 а) 0,3 %; - АхЬ,А(йуЬ,Аа)_ь - систематические составляющие дрейфов ВОГ, которые характеризуют смещение нулей от пуска к пуску - случайные величины с уровнем (1а) 3 /ч; - А(йхЬ,А(оуЬ,А(й_ь - случайные составляющие дрейфов ВОГ, которые характеризуют дрейф нуля в пуске - марковские процессы первого порядка с интервалом корреляции порядка бООси т = 1 7ч; - флуктуационные составляющие дрейфов ВОГ — белый шум интенсивности Q = j2t , а =20 7ч, t = 0,1 с; аду ал= а а а;д; агу погрешности ортогонализации осей чувствительности гироскопов - случайные величины с уровнем (1а) 10"; - А(5Хгит и АаУпт - погрешности компенсации на стенде «горизонтных» составляющих «румбовых» дрейфов (оси X и Y лежат в плоскости горизонта, причем ось Y совпадает с проекцией продольной оси корабля на плоскость горизонта, а ось X - перпендикулярна ей и направлена в правый борт) - случайные величины с уровнем (1а) 0,5 7ч.
Алгоритмы режима начальной выставки и калибровки инерциального блока на микромеханических датчиках
В общем случае понятие ориентации связано с вращательным движением твердых тел, а задача определения ориентации сводится к нахождению некоторых параметров, которые однозначно задают жестко связанную с твердым телом ортогональную систему координат по отношению к некоторой заранее заданной или выбранной.
Входные данные (поступающие с дискретностью dT от навигационного блока): юб(у + 0» АО") приборное значение вектора угловой скорости в осях связанных с измерительным блоком и в проекции на географические оси, поступающее с предыдущего шага навигационного блока. Выходные данные: С - матрица перехода от осей измерительного блока к географическим; (oh(j -і-1) — текущее значение вектора угловой скорости в проекции на географические оси; K(j + l),v/(j + D 6(y +1) - параметры ориентации объекта относительно географических осей.
Алгоритм формирования выходных данных: Матрица ортогонального преобразования, определяющая взаимную ориентацию географической и связанной с измерительным блоком систем координат, выражается через параметры Родрига-Гамильтона следующим образом: Л.0 4- A/j - А2 А3 2( Л,[ А2 — A-Q А3) 2( А0 А2 + А,] А3) 2(А0 А3 + Л,, А2 ) А0 + А,2 — Л-j - А3 2( А2 А3 — А0 А]) 2( А,[ А3 — Ар А2 ) 2( Ар А, + А2 A-J) А0 + А3 — А] — А2 ГДЄІД=[А0 А, А2 А3] , таким образом, искомый кватернион Lhb, определяющий ориентацию измерительного блока относительно горизонтной СК с географической ориентацией осей, может быть найден по теореме сложения преобразований или в виде «кватернионного» произведения. Для дискретного алгоритма вычисления искомого кватерниона имеем: h Q + Fff oLhb(j)oHH ,me F ,HH - приращение кватернионов на шаге dT.
В общем случае, когда на такте вычислений вектор оо6 изменяет свою величину и направление в инерциальном пространстве, производная вектора Эйлера (вектора ориентации) ф связана с вектором ю6 угловой скорости вращения связанной с измерительным блоком СК соотношением:
Разложением коэффициента при третьем слагаемом в степенной ряд до первого порядка относительно величины ф можно показать, что
Численные методы интегрирования кинематических уравнений такого типа могут быть построены для любого вида первичной информации об угловой скорости сой. Задача при этом состоит в построении интерполяционного полинома для функции соДх) на интервале интегрирования по данным измерений, используя интерполяционные методы типа метода Ньютона.
В современных измерительных модулях на лазерных гироскопах при пошаговом интегрировании кинематических уравнений первичная информация получается в виде приращений квазикоординат углового положения (проекций угла кажущегося поворота на связанные оси) Vfft(/t + l)= J (ob(x)dx и «считывается» при опросе датчиков в t(k) определенные моменты времени tk+l. Для построения решения на шаге интегрирования необходимо на основе измерений значений VfA() = Vf6(?A) построить приближенное значение функции Vf6(x). Особенность аппроксимации функций Vf6(x), w6(x) интерполяционными полиномами в виде ряда по степеням х состоит в том, что интерполяция выполняется внутри шага, т.е. на интервале [ , +1] по получении последнего значения
Для получения дискретного алгоритма решения уравнения (2.2.2) представим вектор Эйлера р(0 в виде разложения в ряд Тейлора относительно точки tk [64]: и аппроксимируем изменчивость приращений квазикоординат на интервале времени dT = ґш - tk временным полиномом, например, для высокодинамичных объектов полиномом третьего порядка вида: Vf6(x) = Ax + Bx2 + Cx3, (2г4) 0 z dT, где А, В, С - постоянные на рассматриваемом интервале времени векторы. Далее, полагая, что р(Д) = Vfu(fA) = 0, и дифференцируя (2.2.4) по времени, получим следующие соотношения для момента времени tk(x = 0): юДО = А, &ь(!к) = 2В, &i(tk) = 6C, Щ(ік) = 0. (2.2.5)
Для нахождения постоянных на интервале интегрирования векторов А,В,С весь интервал разобьем на три равных и будем считать, что имеются приращения квазикоординат в моменты времени т( = —dT, т2 = —dT, x2 = dT, З З которые можно обозначить через Vf6(1),Vf4(2),Vf6(3) соответственно, причем Vf =Vf +Vf +Vf V1i V1(D 6(2) V16(3) Подставляя эти значения в (2.2.4), имеем три уравнения вида: Vfwl) =— AdT + — BdT2 +—CdT3, которые позволяют найти значения векторов А,В,С на шаге dT. После подстановки найденных значений векторов А,В,С в уравнение (2.2.7) окончательно получим алгоритм для определения приращения вектора- Эйлера на шаге dT через значения квазикоординат Vf6(1), VfA(2), Vf6(3), являющихся соответствующими интегралами выходных сигналов датчиков угловых скоростей в виде: Ф(/, + dT) = Vf, + [vfA(1) х vf,(3)] + raA(2) x [ vfW3) - vfA(I)], где Х = 0,413, а 7 = 0,713.
Отметим, что использованный выше метод позволяет получить алгоритмы более низких порядков. Так, если предположить, что квазикоординаты, то есть интегралы от вектора угловой скорости изменяются в соответствии с квадратичным законом на интервале интегрирования, то в уравнении (2.2.4) вектор С = 0, а вместо уравнения (2.2.7) получим 9(tk + dT) = AdT + BdT2 + -(А х B)dT\ (2.2.8) Далее, если обозначить Vf6(]),Vfi)(2) - соответствующие векторы квазикоординат в середине и конце интервала интегрирования, причем VfA = VfA(1) + VfA(2), то можно вычислить новые значения для постоянных векторов А,В и, подставляя их в уравнение (2.2.8), получить алгоритм второго порядка или так называемый алгоритм предварительной обработки информации Джордана [29]: «pft+flfr) = Vfi+[VfA(1)xVf,(2)]. Если использовать вектор Vfft(& + 1) квазикоординат, полученный на целом интервале интегрирования, и вектор Vf6(&) квазикоординат на предыдущем интервале интегрирования, то результирующий вектор Эйлера будет иметь вид:
Моделирование режима начальной выставки и калибровки инерциального блока на микромеханических датчиках
При малом времени готовности БГГК (когда отсутствует возможность уточнения КМУ БЭСГ в запуске) може г быть использована следующая упрощенная модель погрешностей уходов реального БЭСГ: A. = -(G ,„,3 + ю,;/2 cose/sin 9)ДЛ 2 + AcointI, где Acoint), Acoims = Acoim2 sin9 - Acoim3 cosO - суммарные остаточные дрейфы в осях int, характеризующие погрешности калибровки КМУ на стенде, изменчивость КМУ от запуска к запуску и в данном запуске, описываемые винеровскими процессами с заданными параметрами; Ahkl,Ahk2,Ahk3 -погрешности списывающих устройств БЭСГ в корпусных осях, скачкообразно меняющиеся при переходе с одного датчика угла на другой (при изменении угла более 45) и описываемые случайными постоянными. В этом случае вектор оцениваемых в ФК погрешностей равен: Х = [АЛІ«І A/?mt2 Ч- А 2 А 3 A«im. A»intz]7 Входные данные (поступающие с дискретностью dT от блока ориентации, измерительного блока и блока формирования разностных измерений): zx cosQR -cos6 разностные измерения; C t,CJ"t - матрицы перехода, где in - оси инерциальной СК, int -квазиинерциальной СК, кр - корпусные приборные оси БЭСГ; cosO sinG - текущие расчетные значения cos и sin угла между «опорным» и реальным БЭСГ; юin,,ю -текущие значения векторов систематических дрейфов в проекции на оси квазиинерциальной СК и гироскопического трехгранника q q соответственно; Выходные данные (оценки): Ahw,Ah„AG im.
Формирование переходной матрицы F (y +1) состояния системы размерности (7x7) на рабочей частоте (с дискретностью dT) происходит аналогично алгоритму, описанному в полной модели погрешностей. Ковариационный канал ФК Р0 = #ag(p0) - начальное значение ковариационной матрицы (7x7); — Ггг2 п2 п2 п2 гт2 гх2 гт2 Но _a0iAintl а0ДАіт2 0ДШ СТ0ДМ:2 а0ДШ 0Awintl а0Дй іт Q = diag{(\) - матрица ковариаций входных шумов (7x7); [ 222222 2 ] , Scol Зшг 5Ш Shk2 ШЗ Scointl ScointS J R = diag(r) - матрица ковариаций шумов измерений (2x2); 2 , 2 ДМ- " " 2ДК 2 2 адМ + 2ДК г = Входные переменные: кр(к,к +1) - текущие значения переходной матрицы; К(к +1) - текущие значения матрицы измерений. Выходные переменные: К(к +1) - текущие значения коэффициента усиления ФК; Р(к +1) - текущие значения ковариационной матрицы ошибок оценок ФК. Алгоритм: аналогично описанному в разделе 2.2. Оценочный канал ФК (при включении оценок в обратную связь по всему вектору состояния на каждом шаге вычисления осуществляются с дискретностью Tz в фоне) Входные переменные: Ъ{к +1) - текущие значения разностных измерений; К(к +1) - текущие значения коэффициента усиления ФК; кр(к,к + 1) - текущие значения переходной матрицы. Выходные переменные: Х(к +1) - оценки, вырабатываемые в ФК. Алгоритм: Х(1:7,1); X,=X(1:2,1) 5 X2=X(3:7,1); F,=F (3:7Д); X2(k + l,k) = Fk(k,k + l)X2(k); x,( + U) = 0 Э X (к + \,к) = "X X ,( +u)"2(к + \,к) Х(к + \) = Х(к + \,к) + К(к + l)Z(k +1). Управления, вырабатываемые в ФК (2,l)cos0 А/гітз=—г-zji—; sin 9 Ah;„, = lilt Jf(l,l) X(2,l) Ahint3J; Ahm = C)UtAhmt - на входы соответствующих интеграторов в задаче - д dT , ориентации со знаком «-» и весом: Ah;„— (с обнулением управлении через Tz интервал времени Tz); Ah,=[X(3,l) Х(4,\) Х(5,\)]Т; Awint2= (7,l)sin9 ; А« ітз = - (7Д)со8ЄЛ; A(bint=[X(6,l) A x ,lt2 A Bint3f; Дю/п = (C "nt) Awmt - на входы соответствующих интеграторов в задаче ориентации со знаком «-» (с обнулением управлений через интервал времени Tz); h"(7 + l) = h:0-) + Vh:;(y + l)-Ah;:0- + l) ; Tz U +1) = ZU+іКС/+1) с? (7)A nt (у+1). 2.4. Алгоритмы навигационного режима работы интегрированной системы Навигационный режим используется в подводном положении аппарата и предназначен для выработки параметров ориентации (курса и углов качки). Для выработки навигационных параметров (составляющих вектора линейной скорости и координат места) привлекается информация от гидроакустического лага, гидроакустической навигационной системы и глубиномера.
Описание алгоритмов навигационного режима состоит из следующих блоков: - Формирование исходных данных - Задача ориентации - Навигационная задача - Формирование разностных измерений - Фильтр Калмана и формирование оценок Формирование исходных данных Общие параметры и начальные значения: dT = t(j +1) — t(j) - шаг дискретности на рабочей частоте; Tz = t(k + \) {k) - шаг дискретности поступления данных с оценочного канала ФК; R,Q- средний экваториальный радиус Земли и угловая скорость суточного вращения; gEQ - ускорение силы тяжести нормальной Земли; Ф0Д0,/ ; K0,\yQ,Q0; Vm,Vuh2iVQh2- начальные значения навигационных параметров и параметров углового движения объекта относительно географических осей в момент запуска задачи; ю60- начальное значение вектора угловой скорости в осях измерительного блока; h J - значения направляющих косинусов орта кинетического момента эталонного БЭСГ в инерциальных осях; h 0 - значения направляющих косинусов орта кинетического момента реального БЭСГ в корпусных номинальных осях в момент запуска задачи; C;to CAo C 0,Cp,Cp,C 0- начальные значения матриц перехода в момент запуска задачи, где in - оси инерциальной СК, h - географические оси, с оси, связанные с объектом, к - корпусные номинальные оси БЭСГ, кр корпусные приборные оси БЭСГ, Ъ - оси измерительного блока, где:
Входные данные (поступающие с дискретностью dT): ф(у)Д(У) - приборные значения определения местоположения объекта, вырабатываемые навигационным блоком на предыдущем шаге; К!\АЛ О + 1) 2АЛ U +1) _ проекции вектора скорости, поступающие от лага, на географические оси; hK — значения направляющих косинусов орта кинетического момента реального БЭСГ в корпусных номинальных осях; КОІ УІЛЖЛ приборные значения параметров ориентации, поступающие от блока ориентации с предыдущего шага. Выходные данные: Ьср - расчетные (приборные) значения направляющих косинусов орта кинетического момента эталонного БЭСГ в осях, связанных с объектом; h - значения направляющих косинусов орта кинетического момента реального БЭСГ в корпусных приборных осях.
Начальная выставка и калибровка коэффициентов модели дрейфа электростатического гироскопа при стендовых испытаниях
Рассмотрим задачу определения параметров ориентации объекта при интеграции данных инерциального блока на ММД и мультиантенной ПА СНС при запуске ИСОН в условиях подвижного объекта, которая сводится к задаче начальной выставки и калибровки измерительного модуля. При оценке точности ИСОН используются реальные данные мореходных испытаний.
В состав ИСОН входят измерительный модуль на ММД, разработки ОАО «Концерн ЦНИИ «Электроприбор», приемники СНС, разработки ОАО «РИРВ» и фирмы Ashtech. Инерциальный блок (рис.4.1.1) состоит из корпуса, платы чувствительных элементов, на которой размещены гироскопы и акселерометры ф. Analog Devices (ADXRS150 и ADXL105): ММГ с дрейфом уровня 0,1% , 0,07 /с/Гц и ММА с погрешностями уровня 0,03 м/с , 0,02 м/с /Гц, обеспечивающая электроника, и контроллера на базе сигнального процессора TMS320F2812, осуществляющий обработку навигационной информации.
Для формирования первых и вторых разностей фазовых измерений ПА СНС содержала две пространственно разнесенные антенны (опорную Аоп и Ах) и два подключенных к ним приемника Ashtech G12 и «Котлин» (РИРВ).
Алгоритмы реального времени, реализованные в вычислителе, позволяют решать задачи ориентации и навигации с частотой 100 Гц при поступлении данных от ПА СНС с частотой до 10 Гц.
Алгоритмы реального времени, реализованные в приемниках СНС, позволяют решать задачу определения координат, скорости и времени по сигналам СНС с частотой 1 Гц. Для решения в ИСОН задачи ориентации объекта измерения фазы сигнала от обоих приемников СНС осуществлялись на частоте 10 Гц. Сигнал «1Гц» из Ashtech G12 подавался для обеспечения синхронизации информационных потоков.
Алгоритмическое обеспечение задачи совместной обработки данных измерительного модуля и ПА СНС Формирование разностных измерений - Скоростные измерения: taiHVS, (tM)-VS?ps{tk+x)VTz, (4.1.1) где 4SfPS\tk+x), i = hl,h2,h3 — приращения декартовых координат объекта в проекциях на географические оси, измеряемые в доплеровском канале ПА СНС с дискретностью Tz = tk+l — tk = \ с; \(Д+і)= J К {t)di, i — h\,h2,h3 - приращения декартовых координат, к вычисляемые по данным измерительного модуля о составляющих вектора линейной скорости Vt (/ = /zl,/?2,/z3) движения объекта, приведенных к точке размещения на объекте опорной антенны ПА СНС Аоп. Соотношения (4.1.1) могут быть приведены к виду: ( .) = Д ( + /2)-б[75еи( +1)]/Гг-Д ( 1)-уК(/,+1), (4.1.2) 117 где AVt , i = h\,h2,h3 — погрешности по составляющим вектора линейной скорости; bl4SfPS(tk+iy\/Tz, i = hi,h2,h3 — погрешности доплеровского канала ПА СНС; X ) = [ (hJ- K(h+Tz/2)] + b[vS s{tk+l)]/Tz -шумы скоростных измерений. - Позиционные измерения \ ( +i) = Ф( +,) - У Vui) - Аф(Г,+І) + уф (tM ), Ч( ш) = Ч ш) - bGPS(tM) = AX(tk+1) + vx(tM), zh(hJ = Ktk+l) = Ah(hJ + yh(h+l), (4.1.3) где фД,/?,ф ,X - географические координаты места объекта (широта, долгота и высота), вычисляемые соответственно по данным измерительного модуля и ПА СНС, приведенных к точке Аоп; A(p,A\,Ah - погрешности по координатам; уф(гА„) = -5yGPS(tkJ, vx(tk+l) = — bWGPS(tk+l) cosy(tk+]) погрешности дальномерного канала ПА СНС; vA(?A+1) = /zdJ/H {tk+x) динамическая составляющая вертикальной качки морского надводного объекта (с точностью до превышения геоида). - Фазовые измерения Для вторых разностей (по данным двух приемников СНС) значений фазовых измерений имеем [69]: Vs, I+1 -st sl+l, где s, - вычисленное по измерениям разности фаз сигнала со спутника НС, на разнесенные антенны значение направляющего косинуса орта st (задающего направление на НС,) относительно базы Ь,. Следует заметить, что формирование вторых разностей фазовых измерений необходимо для исключения влияния расхождения шкал времени опорных генераторов у двух приемников СНС [70-75]. С другой стороны, располагая данными о декартовых координатах точки размещения на объекте опорной антенны, значениями параметров 118 ориентации (К— курс, \/,0 - углы качки) и соответственно матрицы ориентации объекта, а также известными координатами в гринвичской СК (от ПА СНС), можно рассчитать направляющие косинусы орта s, в гринвичской, географической и связанной с объектом системах координат [69]. И сформировать затем расчетное значение направляющего косинуса орта s( относительно базы Ь,: sR =(bc)rs/c, где Ъс -значения направляющих косинусов вектора Ь, в связанных с объектом осях Ьс = у)(ХА\ - ХАопУ + (УЛ1 У Aonf + (ZAX - ZAmf Х П ХАоп У АХ У Ао Z 4\ ZAon
Здесь [xA],yAVzA]]T, [x!on,yAo„,zAoJ - известные декартовые координаты точки расположения антенн Ах, Аоп относительно центра масс объекта в связанных осях. Vl5//+1 й1 Л + 1 Соответственно для вторых разностей расчетных значений фазовых измерений получим Сравнивая расчетные и измеренные значения вторых разностей фазовых измерений, формируются искомые разностные измерения Z =VsR -Vs (4.1.4) которые содержат с соответствующими весами в основном погрешности решения задачи ориентации объекта (погрешности ДС матрицы ориентации, однозначно связанные с погрешностями аналитического построения географического сопровождающего трехгранника: ос,[3,у; где а(ЛЛТ) - погрешность по курсу, Р,у - погрешности построения вертикали места), погрешности АЬу, АЬ. ориентации базы Ь, относительно связанных с объектом осей, неоднозначности вторых разностей фазовых измерений [25, 76, 77] (А.І+1л,+і-А./пІ)/Ьі (где Xt -длина волны излучаемого ЕС1 сигнала,
