Комплексирование угломерной спутниковой навигационной системы ГЛОНАСС/GPS с ИНС на воздушных судах

2009

НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Радиофизика и радиотехника

№ 139

УДК 621

КОМПЛЕКСИРОВАНИЕ УГЛОМЕРНОЙ СПУТНИКОВОЙ НАВИГАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ ГЛОНАСС/GPS С ИНС НА ВОЗДУШНЫХ СУДАХ

В.А. БОРСОЕВ, А.В. ГРЕБЕННИКОВ, А.С. ДЕСЯТОВ

В данной статье рассмотрены вопросы комплексирования угломерной спутниковой навигационной системы (УСНС) с ИНС.

Внедрение новых технологий в навигации воздушных судов стали особенно актуальными в результате качественных изменений в сфере гражданской авиации. За последние годы произошёл значительный рост интенсивности воздушного движения и на некоторых участках УВД стали возникать перегрузки. Это обстоятельство потребовало повышения точностных характеристик к бортовым навигационным системам.

В настоящее время основными навигационными системами, установленными на воздушных судах, являются инерциальные навигационные системы (ИНС), которые не удовлетворяют в полной мере требованиям, предъявляемым к качеству навигационных характеристик воздушных судов. Существенным недостатком ИНС является то, что ошибки в определении координат накапливаются с течением времени. Эти ошибки существенно влияют на точность самолётовождения, особенно при больших углах сноса воздушных судов.

При создании новых навигационных систем широко используются достижения в области комплексирования ИНС со спутниковыми радионавигационными системами (СРНС) ГЛО-НАСС и GPS.

В настоящее время работы по комплексированию ведутся, в основном, по направлению интеграции ИНС с приёмниками сигналов ГЛОНАСС/GPS. Данные интегрированные системы повышают точность в определении местоположения. При этом вопросы повышения точностных характеристик определения пространственной ориентации остаются открытыми.

Одним из путей для решения данной проблемы является комплексирование ИНС с угломерной спутниковой навигационной системой (УСНС), работающей с сигналами СРНС ГЛО-НАСС/GPS. Отличительной особенностью данной системы является то, что в качестве информационного параметра используется не только код псевдослучайной последовательности, но и фазы излучаемых навигационными спутниками сигналов. В результате помимо определения координат и вектора скорости решается задача определения пространственной ориентации объекта с точностью в единицы угловых минут.

При комплексировании УСНС с ИНС пространственная ориентация объекта определяется как по показаниям гироскопов, так и по фазовым сдвигам сигналов НКА, принимаемых разнесенными в пространстве антеннами, т.е. интерферометрическим методом. Фазовый сдвиг

сигналов КА, принимаемых на две разнесенные антенны и косинус угла между вектором-базой и вектором-направлением на КА, связаны выражением [1]:

Cosa = 1 f .

2-ж-B

Для определения угловой ориентации интерферометрическим методом применяются направляющие косинусы осей, поскольку между прямоугольными координатами векторов-баз и фазовыми сдвигами сигналов существует линейная зависимость [1]:

1 j = Ф = к x + к y + k z,

2 -ж x y z

где: кх, ку, къ — направляющие косинусы вектора-направления на НКА, х, у, ъ - координаты вектора-базы, Ф - фазовый сдвиг, выраженный в разностью хода сигналов НКА между антеннами.

Рис. 1

В связи с тем, что сигналы с различных антенн приходят на измеритель разности фаз различными путями, возникает систематическая погрешность фазового сдвига между сигналами, вызванная различной электрической длиной трактов. Систематическая погрешность фазового сдвига, выраженная в единицах длины, одинакова для сигналов всех НКА, поэтому ее легко учесть, включив в систему уравнений (2) в качестве дополнительной неизвестной Б. При приеме сигналов N НКА с учетом уравнения связи между направляющими косинусами вектора-базы можно составить систему из (N+1) уравнений:

Г кх1х + ку1у + к211 + £ = ф ^ х2 + у2 + г2 = Б2,

где: г = 1, 2, 3.. .№ номер НКА, Б - систематическая погрешность.

Число неизвестных в системе (3) - четыре, поэтому минимальное созвездие НКА для определения пространственной ориентации вектора-базы состоит из трех НКА.

При числе наблюдаемых НКА больше двух систему уравнений (3) можно решить одним из методов решения избыточных систем уравнений (метод наименьших квадратов (МНК), Бай-есовкий метод, метод максимума функции правдоподобия и т.д.). Систему уравнений МНК можно записать следующим образом[1]:

КТ О2 К X = Кт О2 Ф,

где: О — матрица весовых коэффициентов, О2 = ОтО, К - матрица направляющих косинусов направлений на НКА, Х= (х, у, ъ)т - вектор-столбец неизвестных координат вектора-базы, Ф = (Фь Ф2, ... Фк)Т - вектор-столбец измеренных разностей хода.

Решение системы (4):

X =

где М = Кт*О2 *К- матрица МНК.

Ковариационная матрица результатов вычисления X совпадает с обратной матрицей МНК:

соу

Для определения ориентации объекта в пространстве необходимо и достаточно задать некоторый базис в двух системах координат - в системе, связанной с Землей, и в связанной с объектом системе координат и определить связь между ними. Для задания базиса в связанной с объектом системе координат достаточно размещение на объекте двух неколлинеарных векторов-баз, жестко связанных с осями объекта. Полученные два вектора можно дополнить третьим вектором, равным их векторному произведению. Аналогично для задания базиса в геоцентрической системе координат достаточно использовать направляющие косинусы направлений на два НКА и дополнить полученную систему третьим вектором, равным векторному произведению первых двух векторов. Таким образом, для измерения пространственной ориентации объекта в пространстве требуется, как минимум, двухбазовый интерферометр, с помощью которого измеряются фазовые сдвиги сигналов двух НКА [1].

Использование данного метода в настоящее время реализовано на приборах серии МРК. В частности аппаратура серии МРК (МРК-3М, МРК-11, МРК-22, МРК-22М, МРК-27, МРК-31), выпускаемая в ФГУП «НПП «Радиосвязь» г. Красноярск.

Структурная схема угломерной системы серии МРК представлена на рис.2

Антенная система АПС А1

ПФ

х:

ПФ

X

МШУ

:х:

ПФ

X

МШУ

:х:

СУММАТОР

групповой сигнал на ВЧ

Бвч

тактовая частота модуляции

Рм

IРадиотрак

I

I

Преобразование частоты и усиление сигнала

Синтезатор частот

групповой сигнал на ПЧ

Рд

АЦП

выборки группового сигнала

частота

дискретизации

Канал обработки сигнала КА 1

Совместная обработка антенн

'

Демодулятор кодов Рі

А__________&_________К

обработка

А1

-----2Х-----

обработка

А2

-----2"5-----

І2.

обработка

А3

-----2Х-----

ЦОС

ту

НАВИГАЦИОННЫМ АЛГОРИТМ

МШУ

ФМП

2

N

Рис. 2

Как видно из схемы сигнал СРНС принимается на три разнесённые антенны. Для исключения неоднозначности измерения фазы с различных антенн в данной аппаратуре применён метод кодового разделения сигналов. Кодирование сигналов антенн А2 и А3 перед суммированием производится таким образом, чтобы впоследствии, после прохождения групповым (суммарным) сигналом общего радиотракта и АЦП, в цифровой части угломерной системы можно было бы вновь разделить сигналы антенн и измерить разность фаз между ними.

При измерении в угломерной системе фазы сигнала КА и ее производных, а также при определении разности фаз сигналов, приходящих на разнесенные антенны присутствуют следующие основные составляющие погрешности: 1) погрешность, обусловленная шумами в составе входного сигнала измерителя; 2) погрешность, обусловленная изменением измеряемых параметров за счет маневров объекта; 3) погрешность, обусловленная условиями распространения и приема сигнала; 4) погрешность, обусловленная неидентичностью фазовых характеристик приемных антенн; 5) погрешность, обусловленная разностью задержек в трактах приема и обработки сигнала.

Погрешности могут существенно изменяться от измерения к измерению и могут носить случайный характер. Таким образом, эти факторы формируют случайную составляющую погрешности измерения. Погрешности, обусловленные факторами 3, 4 и 5, от измерения к измерению изменяются незначительно или не изменяются вовсе, что позволяет относить данные погрешности к систематическим или, по крайней мере, квазисистематическим.

Измерения, полученные инерциальной системой, характеризуются низким уровнем случайных ошибок, однако имеет место дрейф нуль-пункта системы. Погрешности инерциальной системы определяются ошибками начальных условий гироскопов, акселерометрами.

Для комплексной обработки данных погрешностей от обоих систем возможно применение фильтра Калмана.

Общая схема комплексирования УСНС/ИНС с использованием фильтра Калмана представлена на рис. 3

Обратиап связь

Рис. 3

Истинные значения навигационных данных, вырабатываемые каждой из систем, поступают на вход фильтра Калмана с обратными знаками, компенсируя друг друга. Таким образом, в данном случае моделированию подлежат только инструментальные погрешности. В большинстве случаев можно считать, что значения, выдаваемые инерциальной системой, принимаемые

в качестве опорных, достаточно близки к истинным, и несмотря на то что система в целом нелинейна, фильтр Калмана работает в линейной области совместных погрешностей обоих навигационных методов. Степень подробности модели последних, реализуемой в фильтре Калмана в виде уравнений связи, определяется требованиями к точности получаемых навигационных данных и классом применяемого оборудования [2].

В результате совместной обработки информации от данных навигационных систем обеспечивается непрерывность навигационных определений объекта и оценки вектора состояния, в том числе при временной неработоспособности угломерной аппаратуры в случае воздействия помех или динамичных маневров объекта. В дополнение к отмеченным положительным эффектам, комплексирование позволяет существенно повысить помехозащищенность, сократить время поиска сигналов и вхождение в режим слежения за счет наличия априорной информации о векторе состояния объекта передаваемой от ИНС.

Наличие избыточной информации от инерциального измерительного блока помимо задач навигации делает возможным решить задачу мониторинга целостности спутниковой радионавигационной системы (СРНС) в том случае, когда базовый алгоритм ЯЛГМ недоступен. Так же совместная обработка информации ИНС и угломерной системы позволяет проводить оценку правильности функционирования и обнаружение сбоев ИНС в ходе выполнения полета.

Из вышесказанного можно сделать вывод, что комплексирование УСНС и ИНС должно способствовать объединению достоинств каждой из перечисленных систем и позволить при этом значительно повысить такие показатели, как точность, помехозащищённость, достоверность, непрерывность и оперативность навигационных определений.

ЛИТЕРАТУРА

1. Фатеев Ю.Л. Теоретические основы и практическая реализация угловых измерений на основе глобальных спутниковых навигационных систем. Автореф. дисс. д-ра техн. наук, 2004.

2. Солозобов М.Е. Приминение фильтра Калмана в навигационной аппаратуре // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Эксплуатация воздушного транспорта и ремонт авиационной техники. Безопасность полётов, №74(8), 2004.

INTEGRATION ANGLEMETRIC SATELLITE NAVIGATING SYSTEM GLONASS/GPS WITH INS

ON AIR COURTS SIBERIAN AIRSPACE UNIVERSITY

Borsoev V.A., Grebennikov А.В., Desyatov А.Б.

In this article the questions of integration anglemetric satellite navigating system GLONASS/GPS with INS are considered.

Сведения об авторах

Борсоев Владимир Александрович, 1949 г.р., окончил КИИГА (1967), доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой технической эксплуатации электросистем и пилотажно-навигационных комплексов ВС Сибирского государственного аэрокосмического университета им. академика М.Ф. Решет-нёва (г. Красноярск), автор более 100 научных работ, область научных интересов - навигация, посадка, связь, наблюдение и управление воздушными судами гражданской и военной авиации.

Гребенников Андрей Владимирович, 1966 г.р., окончил КПИ (1989), кандидат технических наук, доцент кафедры радиотехники СФУ (г. Красноярск), автор 12 научных работ, область научных интересов - разработка радионавигационной аппаратуры.

Десятов Алексей Сергеевич, 1982 г.р., окончил Государственный аэрокосмический университет (2007), аспирант СибГАУ, область научных интересов - методы и средства спутниковой навигации и управление воздушным движением.