Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время по-прежнему важной является проблема исследования гравитационного поля Земли, в особенности в ее удаленных и труднодоступных регионах, связанная с необходимостью получения больших объемов высокоточных, детальных, оперативных и относительно недорогих гравиметрических измерений в целях решения ряда задач геодезии, геофизики и навигации. При этом особую значимость представляет задача морской гравиразведки, являющаяся важным этапом поиска залежей полезных ископаемых в Мировом океане, включая природные энергоносители шельфовых зон, в особенности, углеводородные соединения, потребность в добыче которых, а, следовательно, разведке новых и доразведке старых месторождений, как отмечено в Энергетической стратегии России, будет только увеличиваться. В настоящее время эта задача в основном решается с помощью мобильных гравиметрических комплексов, базовыми чувствительными элементами которых, как правило, являются одноосные гравиметрические датчики статического или, реже, струнного типа, расположенные на гироста-билизированных платформах, поддерживающих их оси чувствительности в направлении вертикали места, обеспечивающих высокую точность измерения даже в условиях подвижного основания, сочетающуюся с большими массога-баритными характеристиками устройства, значительным энергопотреблением, чрезвычайно большой стоимостью. При этом носителями подобных комплексов обычно являются грузовые автомобили вездеходного типа, самолеты и вертолеты среднего класса, среднетоннажные суда, которым, как правило, присущи недостаточные маневренность и оперативность, ограничены их возможности при проведении детализированной гравиметрической съемки с высокой плотностью, в особенности, в районах затрудненной доступности из-за ограниченной проходимости сухопутного носителя, удаленности от аэродромов - для воздушного, а также в акваториях ограниченного судоходства (мели, ледовые и скалисто-рифовые области и др.). Кроме того, в особенности, для воздушных носителей сохраняется потенциальная опасность как для экипажа исследователей, так и людей и материальных ценностей, находящихся на исследуемых территориях, а также окружающей среды. При этом стоимость гравиметрической съемки, в особенности воздушной и морской, оказывается чрезвычайно большой, в первую очередь, определяемой стоимостью эксплуатации носителя с экипажем. Также стоит отметить, что известные автору мобильные гравиметрические комплексы не решают актуальной задачи нахождения уклонений отвесной линии.
Таким образом, актуальной является проблема создания малогабаритных, относительно недорогих информационно-измерительных систем и комплексов, предназначенных для осуществления высокоточных, высокопроизводительных измерений параметров гравитационного поля Земли на
подвижном основании, а также прецизионного решения задач определения параметров ориентации и навигации. Создание такого комплекса позволило бы осуществлять проведение гравиметрической съемки с борта малоразмерного носителя, включая автоматические необитаемые подводные аппараты, с повышенной производительностью, детальностью и оперативностью при значительном снижении материальных затрат и рисков.
В этой связи, в частности, научным коллективом кафедры «Автоматизированные комплексы систем ориентации и навигации» МАИ была предложена концепция векторных гравиметрических измерений (ВГИ) на борту малоразмерного подводного аппарата (МПА) посредством бесплатформенного гравиинерциального навигационного комплекса (БГНК). В рамках проведенных работ были предложены обобщенные структура, состав и общие алгоритмы БГНК, получены предварительные результаты, показывающие потенциальную возможность проведения ВГИ в бесплатформенных технологиях с точностью порядка десятых долей мГал в определении модуля ускорения силы тяжести (УСТ), что соответствует требованиям к современной морской гравиметрии, а также единиц угл. с в определении уклонений отвесной линии. Не освященными оставались вопросы детальной проработки алгоритмической части комплекса, создания уточненных функциональных алгоритмов работы БГНК и его моделей ошибок, разработки имитационных моделей работы БГНК, проведения имитационных и экспериментальных исследований комплекса с целью подтверждения теоретических предположений о возможности проведения высокоточных бесплатформенных гравиметрических измерений.
Итак, целью диссертационной работы является разработка частного варианта структуры БГНК МПА, включающей бесплатформенную инерци-альную навигационную систему (БИНС) и приемник спутниковой навигационной системы (СНС), его алгоритмов работы и исследование его возможностей при решении задач ВГИ с точностью десятых долей мГал в определении модуля УСТ и единиц угл. с в определении уклонений отвесной линии.
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:
анализ особенностей построения современных гравиинерциальных комплексов подвижных объектов, обоснование актуальности и перспективности создания БГНК для решения задач ВГИ, разработка принципов построения, выбор его рациональных структуры и состава;
разработка функциональных алгоритмов определения параметров ориентации, навигации, векторной гравиметрии, оценивания параметров и коррекции БГНК, а также вспомогательных алгоритмов обработки его информации;
разработка математических моделей ошибок БГНК, включая линейную модель ошибок определения параметров ориентации и навигации и
нелинейную модель ошибок определения параметров гравитационного поля Земли, их исследование аналитическими методами и методами имитационного моделирования;
разработка и исследование имитационных моделей БГНК с целью определения его основных точностных характеристик в различных условиях работы;
макетирование, полунатурное моделирование и экспериментальное исследование БГНК в условиях неподвижного нестабилизированного основания;
анализ результатов теоретических и практических исследований, подтверждающий возможность и перспективность построения БГНК с высокими точностными характеристиками в определении параметров ориентации, навигации и гравиметрии с точностью до десятых долей мГал в определении модуля УСТ и единиц угл. с в определении уклонений отвесной линии.
Объектом исследования является БГНК, предметом - его структура, алгоритмы работы и характеристики.
Методы исследований. Для решения поставленных задач использовались аналитические методы высшей математики, численные методы решения систем дифференциальных уравнений, методы теории случайных процессов и оптимального оценивания, машинные методы имитационного и полунатурного моделирования, экспериментальные методы исследований.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
предложен усовершенствованный функциональный алгоритм определения параметров вектора УСТ для реализации ВГИ в бесплатформенных технологиях;
разработан новый алгоритм оптимального оценивания параметров БГНК с вектором состояния, расширенным элементами, характеризующими ошибки определения проекций вектора аномалии УСТ, для высокоточного определения параметров аномального гравитационного поля, ориентации и навигации;
разработана новая модифицированная процедура коррекции параметров ориентации Родрига-Гамильтона посредством использования корректирующих членов, соответствующих элементам вектора малого поворота, характеризующего уход вьгаисленной системы координат, обеспечивающая возможность построения замкнутой схемы включения оптимального фильтра Калмана;
предложена уточненная нелинейная модель погрешностей гравиметрического канала БГНК, учитывающая влияние членов второго и больших порядков малости, обеспечивающая возможность наиболее детального исследования его точностных характеристик;
5) разработана новая неитерационная процедура аналитического преобразования геоцентрических координат в географические с потребным уровнем точности для применения в алгоритме БГНК.
Достоверность полученных в диссертационной работе результатов подтверждается: апробацией материалов диссертации; высокой степенью повторяемости результатов при проведении серии опытов в ходе имитационных, полунатурных и экспериментальных исследований моделей и макета БГНК; высокой степенью соответствия результатов аналитических, имитационных и экспериментальных исследований.
Практическая значимость работы.
разработаны методики и программное обеспечение для имитационного моделирования БГНК, позволяющие проводить его исследования как на основании полных моделей, так и моделей погрешностей комплекса;
разработаны и созданы макет, экспериментальная установка, методики и программное обеспечение для полунатурного моделирования и экспериментального исследования БГНК;
предложены рекомендации и показаны возможности уменьшения погрешностей оценивания БГНК параметров аномального гравитационного поля в движении с использованием методов цифровой фильтрации;
проведен анализ результатов имитационного и полунатурного моделирования БГНК, а также экспериментальных исследований его макета, теоретически и практически подтвердивший возможность достижения БГНК морского подвижного объекта высоких точностных характеристик по определению параметров навигации (до единиц см и до тысячных долей м/с), ориентации (крена, дифферента - до единиц угл. с, курса - до единиц угл. мин) и гравиметрии (до десятых долей мГал в определении модуля УСТ и единиц угл. с в определении уклонений отвесной линии) с использованием позиционной и скоростной корректирующей информации.
Положения, выносимые на защиту:
схема построения, рациональный состав и структура БГНК, обеспечивающего решение задач определения параметров ориентации, навигации и вектора УСТ на подвижном основании;
функциональные алгоритмы определения параметров ориентации, навигации, векторной гравиметрии, оценивания параметров и коррекции БГНК, а также вспомогательные алгоритмы обработки его информации;
линейная модель ошибок определения параметров ориентации и навигации и нелинейная модель ошибок определения параметров гравитационного поля Земли, результаты их анализа;
полученные результаты имитационного и полунатурного моделирования БГНК, а также экспериментальных исследований его макета, теоретически и практически подтверждающие возможность достижения его ожи-
даемых точностных характеристик.
Реализация результатов исследования.
Полученные в работе результаты использованы в ООО «МГУ-СТАНДАРТ» в рамках технопарка МГУ (г. Москва) в НИР «Разработка универсального векторного гравиметра для работы как на неподвижном, так и на подвижном основании» в части разработки алгоритмов работы гравиметрического измерителя на неподвижном основании; в 000 «ЦТТ» СГАУ (г. Самара) в НИР «Инновационные разработки и исследования в авиации, космонавтике, приборостроении, микроэлектронике и биотехнике» в части разработки алгоритмов работы гравиметрического комплекса морского объекта; в ЗАО «ИРИН» (г. Москва) в НИР «Разработка и исследование новой бесплатформенной технологии построения прецизионных векторных помехозащищен-ных гравиметрических датчиков (ВПГД) для геофизического мониторинга» в части выбора состава, разработки структуры и алгоритмов бесплатформенного гравиметрического комплекса для геофизических исследований; в учебном процессе кафедры «Автоматизированные комплексы систем ориентации и навигации» МАИ в рамках курсов «Проектирование приборных систем», «Специальные микропроцессоры и приборы в системах ориентации, стабилизации и навигации», в курсовом и дипломном проектировании.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались: на 5-й, 6-й, 7-й, 8-й Международных конференциях «Авиация и космонавтика», Москва, 2006-2009 гг.; на IX и X конференциях молодых ученых «Навигация и управление движением», Санкт-Петербург, 2007-2008 гг.; на XV и XVI Международных конференциях по вычислительной механике и современным прикладным программным системам, Алушта, 2007 г., 2009 г.; на XXXIV, XXXV, XXXVI Всероссийских конференциях по управлению движением кораблей и специальных аппаратов, Туапсе, 2007 г., Адлер, 2008 г., Северодвинск, 2009 г.; на XVI, XVII, XVIII, XIX Международных научно-технических семинарах «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработке информации», Алушта, 2007-2010 гг.; на Всероссийской молодежной научной конференции с международным участием «IX Королевские чтения», Самара, 2007 г., по итогам которой автор был награжден дипломом за лучший доклад, представленный на конференцию; на 1-й и 2-й Всероссийских конференциях ученых, молодых специалистов и студентов «Информационные технологии в авиационной и космической технике», Москва, 2008-2009 гг.
Публикации. Основные результаты по теме диссертационной работы опубликованы в 25 печатных работах, из которых 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК.
Личный вклад автора. В работах [1,2,4,5,8,10,15] автором предложена нелинейная модель ошибок гравиметрического канала БГНК, представ-
лены результаты его теоретического исследования и имитационного моделирования, предложена процедура преобразования геоцентрических координат в географические; в работах [3,6,7,9,14,22] предложены варианты схем построения БГНК различного применения, алгоритмы их работы и представлены основные результаты их исследований; в работах [11,12,13,19,20,23,24] изложены принципы создания имитационных и полунатурных моделей БГНК и представлены основные результаты их исследований; в работах [16,17,18,21,25] рассмотрены вопросы комплексирования БИНС и корректирующих систем, представлен анализ его результатов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы. Основная часть диссертации содержит 168 страниц машинописного текста, 53 рисунка, 7 таблиц, список литературы включает 85 наименований.
