Особенности разработки и применения современных автономных навигационных систем

УДК 629.7

ОСОБЕННОСТИ РАЗРАБОТКИ И ПРИМЕНЕНИЯ СОВРЕМЕННЫХ АВТОНОМНЫХ НАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ И.Э.Комарова

Рассмотрены вопросы реализации различных схемных решений навигационных систем. Ключевые слова: навигация, система, информация, гироскоп, акселерометр.

При современном уровне развития систем управления космическими комплексами (КК) и аппаратами (КА) всех уровней задачи навигации на борту в принципе полностью решаемы по первичной навигационной информации (ПНИ), получаемой по радиоканалам связи от наземных комплексов управления и спутниковых навигационных систем (НС). Полностью автономные навигационные системы (АНС) могут применяться в качестве резервных для повышения надежности и помехоустойчивости на КК специального назначения. Практика эксплуатации искусственных спутников Земли показала, что с точки зрения управления их движением на пассивных и активных участках полета наиболее перспективными являются бортовые системы ориентации, в состав которых в качестве основного компонента входят классические инерциальные системы (ИС), решающие задачи навигации.

При синтезе ИС навигации для активных участков орбитального движения должны быть соблюдены несколько условий функционирования системы: хранение ориентации базовых осей координат, в которой должны производиться измерения сил (реализуется использованием гироскопов); измерение составляющих кажущегося ускорения в этих базовых осях (удовлетворяется акселерометрами); наличие информации о распределении напряженности гравитационного поля Земли (осуществляется аналитически в спецпроцессоре); возможность двойного интегрирования (необходимым условием являются начальное положение и начальная скорость).

Реализация на практике достоинств бесплатформенных инерциальных навигационных систем (БИНС) связана с решением двух основных задач: созданием высокоточных чувствительных элементов (ЧЭ) с увеличенным динамическим диапазоном измерений и дальнейшей миниатюризацией бортового вычислительного комплекса (БВК) при одновременном повышении скорости и объема вычислений при обработке ПНИ. Физическая реализация БИНС предусматривает три возможных конструктивных решения БИНС: на основе трех одноосных гиростабилизаторов; с применением шести пространственно распределенных акселерометров; комбинацией трех датчиков угловой скорости и трех акселерометров [Л].

Первое из перечисленных решений позволяет ощутимо снизить степень влияющих на ЧЭ НС возмущений, но основным препятствием к его широкому практическому применению являются значительные весогабаритные характеристики, необходимость реализации высокоточной начальной ориентации НС на подвижном основании и рост инструментальных ошибок всей измерительной системы при маневрировании КА. Учитывая, что установленные на подвижных носителях шесть пространственно распределенных акселерометров не должны подвергаться перегрузкам более 20 g, а предельно достижимая точность измерения кажущегося ускорения современными моделями находится в диапазоне 10-4-10-7 g при обязательной для осуществления измерения вектора абсолютной угловой скорости 10-1110-12 g, можно сделать вывод о практической нереализуемости при построении БИНС поставленной задачи в случае указанной конструктивной схемы.

Несомненное достоинство третьей схемы построения НС заключается в исключении погрешностей, вызванных уходами одноосных гиростабилизаторов, и применении современных высокочувствительных элементов, работа которых базируется на различных физических принципах (микромеханика, микроэлектроника, оптоэлектроника, лазерная техника и др.). Наибольшие успехи в создании АНС достигнуты в результате применения в них динамически настраиваемых гироскопов и гироскопов с динамическим подвесом ротора, несмотря на возникающие в этом случае большие дрейфы и уходы. Перспективной реализацией НС можно считать использование лазерных, а с появлением оптических волокон, стойких к воздействию частиц высоких энергий, - волоконно-оптических гироскопов. Сфера применения БИНС ограничена необходимостью аналитического моделирования опорной системы координат и преобразования сигналов гироскопов и акселерометров, отсутствием совершенных методов начальной ориентации и калибровки системы, а также дополнительными трудностями калибровки ЧЭ в связи с изменением ориентации их осей чувствительности по отношению к направлению вектора силы тяжести.

Использование в измерительном комплексе на базе гиростабилизированной платформы (ГСП) НС, построенной по геометрической, аналитической или наиболее распространенной на сегодня полуаналитической схеме (горизонтальные и пространственные инерциальные НС), предусматривает повышение на 2-3 порядка точности измерения параметров в широком диапазоне для ЧЭ, размещенных на ГСП, и гарантированное решение навигационных задач в условиях больших перегрузок. Погрешности гироскопов компенсируются по результатам наземных калибровок, а динамический дрейф ГСП возмещается в процессе движения путем использования дополнительной ПНИ от различных датчиков и систем, что предполагает применение в БВК высокоточных алгоритмов оценивания, позволяющих использовать для управления не только скорости, но и оценки угловых отклонений ГСП и дрейфа гироскопов, что приво-

Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 2012, № 4

дит к повышению точности НС и компенсации погрешностей при исчезновении внешнего источника информации.

[Л]. Соколов С.В., Погорелов В. А. Основы синтеза многоструктурных бесплатформенных навигационных систем. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2009. - 182 с.

Комарова Ирина Эриковна - Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кандидат технических наук, доцент, ppaannddaa@mail.ru

УДК 535.65, 628.9

УСТАНОВКА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ И КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ И ХАРАКТЕРИСТИК

СВЕТОДИОДОВ А.Д. Вакуленко, Е.В. Горбунова, В.С. Перетягин, А.Н. Чертов

Приведены результаты работ по созданию автоматизированного аппаратно-программного комплекса для контроля и аттестации излучающих диодов, обеспечивающего одновременное измерение спектральных, энергетических и пространственных характеристик излучения, а также цветовых параметров анализируемого источника. Ключевые слова: излучающий диод, индикатриса излучения, цветовые координаты, измерительный комплекс.

Результатом интенсивного развития технологий в области производства полупроводниковых све-тоизлучающих диодов (СД) и оптоэлектронных приборов на их основе стало широкое применение этих приборов в системах освещения различного назначения, отображения информации, световой сигнализации и др. Комбинация мощного излучения практически с любой формой его пространственного распределения, возможность получения множества цветовых оттенков в широком диапазоне яркостей открывают огромные перспективы использования СД в качестве источников света для этих устройств. Указанное обстоятельство приводит к необходимости осуществления все более точного и комплексного анализа спектральных, энергетических, пространственных характеристик и цветовых параметров излучения СД как на производстве, так и при создании высокоточных светотехнических устройств на их основе.

Существует большое количество разнообразных измерительных систем для контроля и аттестации СД. Однако подавляющее их большинство предназначено для избирательного контроля, т.е. анализа од-ной-двух характеристик излучения, например, индикатрисы излучения, спектра излучения и (или) цветовых параметров источника, спектра излучения и полного светового потока. При этом анализ пространственных характеристик излучения, как правило, осуществляется в одной плоскости или же, в лучшем случае, в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, а спектр излучения, полный световой поток и цветовые параметры оценивают интегрально, посредством использования интегрирующей сферы. Таким образом, ни одно из существующих устройств указанного назначения не производит комплексного контроля СД по всей полусфере излучения. Подобный подход не позволяет получить полной информации о качестве анализируемого СД.

Коллективом авторов разработаны принципы построения и реализующий их экспериментальный образец автоматизированного измерительного комплекса, способный помочь решению задачи комплексного контроля СД. Основными элементами системы являются две угловые координатные подвижки и малогабаритный волоконный спектрометр со спектральным диапазоном 200-1100 нм. Принцип работы системы заключается в автоматическом поточечном измерении параметров излучения СД в верхней полусфере излучения с одновременным контролем и выводом на экран компьютера спектральной характеристики, пространственной индикатрисы излучения, полного светового потока и рассчитанных цветовых координат исследуемого образца. Полностью автоматическая работа измерительного комплекса в течение цикла измерения (полного контроля одного СД) обеспечивается комплектом разработанного программного обеспечения. Минимальный шаг сканирования полусферы составляет 0,7°, время аттестации одного СД (при минимальном шаге сканирования) - не более 15 мин.

Разработанный автоматизированный аппаратно-программный комплекс прошел апробацию в рамках выполнения работ второго этапа государственного контракта № 07.514.11.4089 от 17 октября 2011 г. на тему «Исследование интеллектуальных оптико-электронных информационно-телекоммуникационных систем цветового анализа для повышения эффективности обогащения минерального сырья фотометрическим методом» при проведении исследований экспериментального образца информационно-телекоммуникационной системы цветового анализа. Кроме того, указанный измерительный комплекс был представлен на 7-й международной специализированной выставке лазерной оптической и оптоэлек-тронной техники «Фотоника. Мир лазеров и оптики-2012» среди новейших разработок НИУ ИТМО.

Основное назначение разработанного аппаратно-программного комплекса:

- контроль качества СД на производстве;

- разработка и контроль качества многоэлементных источников излучения для высокоточного позиционирования в различных областях промышленности [1];

- разработка и создание адаптивных (меняющих спектральные и цветовые характеристики) многоэлементных источников освещения объектов при цветовом анализе объектов, в частности, при колориметрической идентификации [2].

Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики,

2012, № 4