СПОСОБ СНИЖЕНИЯ ПОГРЕШНОСТИ ОЦЕНОК СОБСТВЕННЫХ КООРДИНАТ АВТОНОМНОГО НЕОБИТАЕМОГО ПОДВОДНОГО АППАРАТА С ИНЕРЦИАЛЬНОЙ НАВИГАЦИОННОЙ СИСТЕМОЙ
METHOD OF REDUCING ESTIMATION ERROR OF EIGEN COORDINATES OF SELF-CONTAINED UNMANNED UNDERWATER VEHICLE WITH INERTIAL NAVIGATION SYSTEM

Изобретение относится к области навигации и может быть использовано для определения местоположения и управления движением автономных необитаемых подводных аппаратов с инерциальной навигационной системой и средствами технического зрения.
Известны способы навигации подвижных объектов (патенты России 2284544, 2338158, 2340874, 2385468), которые обеспечивают определение местоположения подвижных объектов.
Недостатком указанных способов навигации подвижных объектов является то, что управление движением объекта происходит по изначально известным системе навигации эталонным картам местности. Кроме того, местоположение подвижных объектов определяется только с использованием комплекса средств уточнения координат относительно априорно известных объектов.
В настоящее время отсутствует удовлетворительное решение задачи навигации автономных необитаемых подводных аппаратов, в том числе в связи с отсутствием точных карт подводной обстановки из-за постоянно изменяющейся донной поверхности и отсутствием возможности использования глобальных навигационных систем.
Целью изобретения является коррекция собственных координат автономного необитаемого подводного аппарата, позволяющая снизить погрешность при его движении.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является снижение погрешности оценок собственных координат автономного необитаемого подводного аппарата с инерциальной навигационной системой, используя средства технического зрения.
Предлагается способ снижения погрешности оценок собственных координат автономного необитаемого подводного аппарата с инерциальной навигационной системой и средствами технического зрения, заключающийся в том, что при движении автономного необитаемого подводного аппарата по заданной траектории выделяют один или несколько заранее неизвестных неподвижных подводных объектов, обнаруженных средствами технического зрения, оценивают их координаты, и на основе полученных данных уточняют свое собственное положение при дальнейшем движении.
Принцип действия заключается в использовании данных о заранее неизвестных неподвижных подводных объектах, оказавшихся в поле видимости средств технического зрения движущегося автономного необитаемого подводного аппарата, определении оценок координат этих объектов и на их основе снижении погрешности оценок собственных координат.
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>x</mi><mo>^</mo></mover><mi>i</mi></msub></mrow>
<mrow><msubsup><mi>σ</mi><mi>i</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>σ</mi><mi>i</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>=</mo><mi>i</mi><msup><mi>γ</mi><mn>2</mn></msup></mrow>
<mrow><msup><mi>γ</mi><mn>2</mn></msup></mrow>
Пусть известна оценка одной координаты одного движущегося автономного необитаемого подводного аппарата
с дисперсией
, причем:
, где
- приращение дисперсии за 1 шаг при использовании доплеровских систем.
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>x</mi><mo>^</mo></mover><mi>i</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>x</mi><mi>i</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>ς</mi><mi>i</mi></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>ς</mi><mi>i</mi></msub><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>l</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>i</mi></munderover><mrow><msub><mi>δ</mi><mi>l</mi></msub></mrow></mstyle></mrow>
<mrow><msub><mi>δ</mi><mi>l</mi></msub></mrow>
<mrow><msup><mi>γ</mi><mn>2</mn></msup></mrow>
Эту оценку определяют как:
, где
;
- независимые случайные величины с дисперсиями
[Лукомский Ю.А., Пешехонов В.Г., Скороходов Д.А. Навигация и управление движением. - СПб.: «Элмор», 2002. - 360 с.].
<mrow><msub><mi>z</mi><mi>i</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>x</mi><mi>i</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>x</mi><mn>0</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>ξ</mi><mi>i</mi></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>ξ</mi><mi>i</mi></msub></mrow>
<mrow><msubsup><mi>σ</mi><mi>ξ</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>.</mo></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>x</mi><mo>^</mo></mover><mn>0</mn></msub><mo>=</mo><msub><mover accent="true"><mi>x</mi><mo>^</mo></mover><mi>i</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>z</mi><mi>i</mi></msub></mrow>
<mrow><msubsup><mi>σ</mi><mn>0</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>=</mo><msubsup><mi>σ</mi><mi>ξ</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>+</mo><msubsup><mi>σ</mi><mi>i</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow>
На i-м шаге после обнаружения, средствами технического зрения, заранее неизвестного неподвижного подводного объекта получают наблюдение с помощью технического зрения, которое имеет вид:
, где
- ошибка технического зрения с дисперсией
Усредняя несколько наблюдений, определяют оценку координаты заранее неизвестного неподвижного обнаруженного подводного объекта:
, с дисперсией
.
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>x</mi><mo>^</mo></mover><mrow><mi>i</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mover accent="true"><mi>x</mi><mo>^</mo></mover><mi>i</mi></msub><mo>+</mo><msub><mover accent="true"><mi>v</mi><mo>^</mo></mover><mi>i</mi></msub><mi>Δ</mi><mi>t</mi></mrow>
<mrow><msubsup><mi>σ</mi><mrow><mi>i</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow><mn>2</mn></msubsup><mo>=</mo><msubsup><mi>σ</mi><mi>i</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>+</mo><msubsup><mi>σ</mi><mrow><mi>v</mi><mi>i</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mover accent="true"><mi>x</mi><mo>^</mo></mover><mo>^</mo></mover><mrow><mi>i</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>z</mi><mrow><mi>i</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mover accent="true"><mi>x</mi><mo>^</mo></mover><mn>0</mn></msub></mrow>
<mrow><msubsup><mi>σ</mi><mrow><mi>T</mi><mi>i</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow><mn>2</mn></msubsup><mo>=</mo><msubsup><mi>σ</mi><mi>ξ</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>+</mo><msubsup><mi>σ</mi><mn>0</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>=</mo><msubsup><mi>σ</mi><mi>i</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>+</mo><mn>2</mn><msubsup><mi>σ</mi><mi>ξ</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>σ</mi><mi>ξ</mi><mn>2</mn></msubsup><mo><</mo><mo><</mo><msubsup><mi>σ</mi><mrow><mi>v</mi><mi>i</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>x</mi><mo>^</mo></mover><mrow><mi>i</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></msub></mrow>
<mrow><msubsup><mi>σ</mi><mrow><mi>v</mi><mi>i</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>σ</mi><mrow><mi>i</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow><mn>2</mn></msubsup><mo>≈</mo><msubsup><mi>σ</mi><mi>i</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow>
i+1
i+1
0
i
Теперь на (i+1) шаге, когда автономный необитаемый подводный аппарат переместился по траектории за время Δt, получают две оценки для его собственной координаты положения. Первую оценку получают по его модели движения:
с дисперсией
. Вторую оценку получают за счет использования технического зрения на (i+1) шаге: z=x-x+ξ,
c дисперсией:
. После объединения этих двух оценок при условии, что погрешность технического зрения очень мала, по отношению к погрешности инерциальной системы
получают оценку координаты положения подводного аппарата
c дисперсией ошибки меньшей, чем в случае, без использования технического зрения на величину
, тогда
, т.е. при достаточно низкой погрешности технического зрения, ошибка определения собственных координат подводного аппарата практически не будет возрастать.
<mrow><msub><mi>z</mi><mi>k</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>x</mi><mi>k</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>x</mi><mn>0</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>ξ</mi><mi>k</mi></msub></mrow>
В случае обнаружения одновременно нескольких заранее неизвестных неподвижных подводных объектов получают наблюдения
, с использованием которых определяют дополнительные оценки собственных координат движущегося автономного необитаемого подводного аппарата.
Объединив все оценки, корректируют собственные координаты автономного необитаемого подводного аппарата, что позволяет снизить погрешность управления его движением.