Системы и алгоритмы управления, навигации и обработки данных обеспечение точности курсоуказания для подвижных объектов в интегрированных системах навигации ИНС/СНС

СИСТЕМЫ И АЛГОРИТМЫ УПРАВЛЕНИЯ, НАВИГАЦИИ И ОБРАБОТКИ ДАННЫХ

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ КУРСОУКАЗАНИЯ ДЛЯ ПОДВИЖНЫХ ОБЪЕКТОВ В ИНТЕГРИРОВАННЫХ СИСТЕМАХ НАВИГАЦИИ ИНС/СНС

, Г.И. Емельянцев, В.В. Серегин, В.И. Ющенко

Рассматривается возможность создания интегрированной системы ориентации и навигации на базе инерциального измерительного модуля низкого уровня точности, обеспечивающей требуемую точность выработки курса морских объектов. Исследованы три варианта построения интегрированной системы путем моделирования обсервационного режима. Показано, что поставленная задача может быть решена при использовании информации от мультиантенной приемной аппаратуры глобальной спутниковой навигационной системы.

О.Н. Анучин

Введение

В настоящее время [3] получило развитие новое перспективное направление в создании современного навигационного оборудования для морских подвижных объектов XXI века - разработка интегрированных систем ориентации и навигации (ИСОН) как единых общекорабельных систем навигации и стабилизации. Под ИСОН понимаются системы, содержащие инерциальные измерительные модули (ИИМ), информационно интегрированные с приемной аппаратурой (ПА) СНС ГЛОНАСС/GPS. Ужесточение требований со стороны потребителей навигационной информации по точности и формату данных, необходимость существенного снижения массогабаритных характеристик, энергопотребления и стоимости привели к разработке интегрированных систем ориентации и навигации на базе малогабаритных бескарданных инерциальных измерительных модулей (БИИМ), обладающих высокими эксплуатационными характеристиками.

Одной из проблем на пути создания ИСОН для морских объектов на базе БИИМ низкого уровня точности (нестабильность дрейфов гироскопов составляет 1-10 град /час и более) является проблема выполнения требований IMO [2] по точности выработки курса для обеспечения навигационной безопасности плавания морских судов. Требования IMO (согласно резолюции IMO А.424(Х1) от 15.11.79 и А.821(Х1Х) от 23.11.95 для гирокомпасов) по точности выработки курса: ± 0.75°^есф -установившаяся погрешность; ± (2-3)° - при маневрировании в широтах ф<60°.

Исследование вариантов интегрированных систем ИНС/СНС

Для оценки возможности решения этой проблемы было выполнено исследование нескольких вариантов построения ИСОН [1], обобщенная структурная схема которой представлена на рис.1. В общем случае в состав ИСОН входят следующие измерители. Инерциальный измерительный модуль содержит три гироскопических датчика угловой скорости (ДУС) и три акселерометра (А), входные оси которых совпадают с осями измерительного блока (ИБ) - трехгранник Ox0y0z0. ИБ может принудительно разворачиваться относительно оси Oz0. Информация об угле р разворота ИБ поступает с датчика угла ДУ в вычислитель. Приемная аппаратура GPS - МРК-11 вырабатывает информацию о координатах объекта, составляющих его линейной скорости и углах ориентации основания. В некоторых режимах работы может использоваться

информация от относительного лага УЛАг и магнитного компаса ^МК. Бортовой вычислитель вырабатывает все навигационные параметры и текущие значения параметров ориентации морского объекта.

Рис.1. Обобщенная структурная схема интегрированной системы

ориентации и навигации

В качестве инструмента исследований было разработано программное математическое обеспечение (ПМО) в среде MATLAB для моделирования обсервационного режима работы ИСОН, включая задачи оптимальной фильтрации при определении курса объекта, калибровки дрейфов и масштабных коэффициентов волоконно-оптических гироскопов (ВОГ), "румбовых" дрейфов ИБ и погрешностей акселерометров. За приборы-аналоги были выбраны: гирокомпас SR 2100 фирмы Litton Marine System, Sperry Marine Inc., Decca Marine; ИСОН SEAPATH 400 фирма SEATAX. Исследования выполнены для трех вариантов ИСОН, состав которых и режимы работы сведены в табл.1.

Наименование составных частей ИСОН-1 ИСОН-2 ИСОН-3

Блок гироскопов (3 шт.) VG910 УС951 УС951

Физоптика Физоптика Физоптика

Блок акселерометров (3 шт.) АК-5 АК-5 АК-5

ОКБ «Темп» ОКБ «Темп» ОКБ «Темп»

Вращение измерительного блока отсутствует имеется отсутствует

Магнитный компас используется используется при выставке не используется

Относительный лаг используется используется используется

Аппаратура потребителя СРНС одноантенная одноантенная мультиантен МРК-11

Фильтр Калмана используется используется используется

Таблица 1. Состав интегрированных систем ориентации и навигации

ИСОН-1 содержит БИИМ на грубых и дешевых акселерометрах АК-5 и ВОГ типа У0910 с неподвижным относительно объекта ИИМ, блок магнитометров (феррозондов) или магнитный компас, данные которого непрерывно используются в процессе эксплуатации. С использованием разработанного ПМО проведена камеральная обработка результатов мореходных испытаний ИСОН-1 на борту гидрографического судна "Сибиряков" при движении со скоростями 8 и 12 узлов в условиях качки, рыскания или их отсутствия в зависимости от курса: 245°, 260°, 220°, 120°, 90°, 20°. Обработано 12 файлов данных длительностью от 900 с до 3500 с. Для примера на рис. 2 и 3 показаны характерные графики погрешностей курса, вычисленного по измерениям ИСОН-1, который сравнивался с показаниями принятой за эталон ИНС "Кама". После обобщения результатов обработки полученные оценки качества работы ПМО сведены в табл. 2.

утл. мин.

6

4

2 О -2 -4

О 2 4 6 3 10 12 14 16 13 Время в 100 с

Рис.2. Погрешности вычисления курса в условиях качки объекта 0.2°

угп.

4 2

0 -2

_6-------------I---------- г-----------|

! ! I -8 _____________|____________|____________^

0 5 10 15

Время в 100 с

Рис.3. Погрешности вычисления курса при рыскании 4° и качке 0.5°

_1__^тЪ-. ___I _|______ . _

Высокочастотные колебания магнитного компаса Эффективно сглаживаются

Систематическая погрешность магнитного компаса Оценивается на галсе длительностью 1 час

Погрешность курсоуказания (а), град. 0.8

Время выставки на движущемся объекте 35-45 мин

Оценка дрейфов ВОГ Не наблюдается

Калибровка масштабных коэффициентов ВОГ Не производится

Табл. 2. Обобщенные результаты исследования ИСОН-1

Отличительной особенностью ИСОН-2 является возможность разворотов блока акселерометров и ВОГ относительно оси, перпендикулярной палубе (см. рис.1). Кроме того, в ИСОН-2 применяется более точный У0951. Информация от магнитного компаса используется только в процессе начальной выставки. Также учитывалось, что ИИМ располагается на существенном отстоянии от центра масс объекта и, следовательно, при качке и рыскании основания на него действуют значительные линейные ускорения. Было выполнено имитационное моделирование обсервационного режима работы ИСОН-2 для различных условий движения объекта с использованием реальных записей погрешностей чувствительных элементов бескарданного инерциального измерительного модуля. На рис. 4 и 5 показаны результаты моделирования, полученные в условиях неподвижного и движущегося объекта, соответственно. Измерительный блок БИИМ совершает реверсные развороты на 90° с периодом 10 мин.

Рис. 4а - погрешности начальной выставки ИСОН-2 по углам

град./час

5 Г 4

3

2

1 -

О .

-1 --2 --3 --4 -

О 50 100 150 200

Время, мин.

Рис 4б - погрешности калибровки дрейфов ВОГ.

угл.

200

Рис. 5а - погрешности начальной выставки ИСОН-2 по углам;

мин.

400

350 300 250 200

Бремя, мин.

град./час 5

4

3 2

1 О -1 -2 -3

О 50 100 150 200

Бремя, мин.

Рис. 5б - погрешности калибровки дрейфов ВОГ

В ИСОН-3 чувствительные элементы неподвижны относительно основания, что снимает проблему оценки "румбовых" дрейфов ИБ. Однако в ней используется информация от мультиантенной ПА МРК-11, в которой по фазовым измерениям вычисляется курс объекта для совместной обработки с данными БИИМ в фильтре Калмана. При этом появляется необходимость согласования отсчетных баз измерителей с учетом динамики объекта. Результаты моделирования для случая неподвижного объекта представлены на рис. 6.

угл. мин. 400

350

300 250 200

150 100 50

0

-50

0 50 100 150 200

Время, мин.

Рис. 6а - погрешности начальной выставки ИСОН-3 по углам

1 ' i

1 1 1 1 1 1

1 1 1 1

1 1 1 1 ........J........L........

1 1 1 1

1 1 1 1 1 1

п Г die : :

ггл YC г1 / 1 1 J I I II I 1 1 «4 1 Jl4 1 "tf^ai "Vi ДП Г ^^тПг г » 1 Т    1 1 1 * 1 1 "

град./час.

4

3 2

1 О -1 -2

О 50 100 150 200

Время, мин.

Рис. 6б - погрешности калибровки дрейфов ВОГ

Обобщенные результаты моделирования работы ИСОН-2 и ИСОН-3 в виде сравнительных характеристик представлены в табл. 3.

ИСОН-2 ИСОН-3

Неподвижный При динамике Неподвиж- При динами-

объект объекта ный объект ке объекта

Погрешность выставки по 75-90 20-30 30-40 15-20

курсу, угл.мин.

Калибровка дрейфов ВОГ, град./час 1,5-2,0 0,8-1,0 1,0-1,5 0,2-0,4

Калибровка масштабных Не наблюдаемы 0,1-0,2 % Не наблю- 0,1-0,2 %

коэффициентов ВОГ даемы

Калибровка "румбовых" Априорная Осуществля- Не требуется Не требу-

дрейфов ИБ компенсация ется ется

Согласование "отсчетных" Не выполняется Не выпол- Требуется Требуется

баз БИИМ и МРК-11 няется

Время выставки, мин. 120-150 70-75 25-30 150-180

Оценка систематической Отсутствует Отсутствует Отсутствует 15-20

погрешности ГСНС по

курсу, угл.мин.

Табл. 3. Обобщенные результаты моделирования

Заключение

Результаты исследований позволяют сделать следующие выводы: 1. При камеральной обработке данных мореходных испытаний опытного образца ИСОН-1 получено, что разработанное ПМО обсервационного режима работы ИСОН-1 в части комплексной обработки данных обеспечивает как решение задачи

сглаживания высокочастотных погрешностей магнитного компаса, так и оценку его систематической составляющей погрешности в условиях движущегося морского объекта.

2. Анализ результатов имитационного моделирования на ПЭВМ обсервационного режима работы интегрированной системы ИСОН-2 показал, что разработанное ПМО в части интеграции данных БИИМ на ВОГ и ПА СНС ГЛОНАСС/ОРБ обеспечивает эффективное решение задачи определения курса в условиях эксплуатации ИСОН на движущемся морском объекте при реверсных поворотах ИБ БИИМ, его отстоянии от центра масс судна и при рассматриваемом уровне инструментальных погрешностей ее чувствительных элементов. При этом оказывается возможным эффективное уточнение как "румбовых" дрейфов ИБ, так и погрешностей масштабных коэффициентов ВОГ.

3. Сравнительный анализ полученных результатов позволяет рекомендовать для практического применения в ИСОН-2 использование реверсных поворотов (А=90 град, Т=10 мин) ИБ БИИМ, которые обеспечивают решение поставленной задачи, не предъявляют при этом жестких требований к точности и стабильности привода и позволяют отказаться от применения токоподводов с неограниченным углом поворота, что неизбежно привело бы к снижению надежности системы.

4. Использование в составе корабельной ИСОН мультиантенной ПА ОРБ/ГЛОНАСС с фазовыми измерениями обеспечивает как выполнение требований 1МО по точности курсоуказания, так и необходимую калибровку БИИМ при работе ИСОН в обсервационном режиме.

Исследования выполнены в рамках госбюджетной работы по теме 20083,

подпрограмма 205 "Транспорт", гос.регистрация № 01.2001 11552.

Литература

1. Анучин О.Н., Емельянцев Г.И. Интегрированные системы ориентации и навигации для морских подвижных объектов. / Под общей ред. чл.-кор. РАН В.Г. Пешехонова. СПб: 1999. 357 с.

2. Морская навигационная техника. Справочник. / Под общ. ред. Е.Л. Смирнова. СПб: Элмор, 2002. 224 с.

3. Пешехонов В. Г. Проблемы и перспективы современной гироскопии. // Изв. вузов. Приборостроение. 2000. Т. 43. № 1-2. С. 48-56.