Помехозащищенный комплексный измеритель высоты беспилотного летательного аппарата

Математическое моделирование. Оптимальное управление Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2010, № 4 (1), с. 146-152

УДК 681.586.325

ПОМЕХОЗАЩИЩЕННЫЙ КОМПЛЕКСНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ВЫСОТЫ БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА

© 2010 г. О.А. Фролова

ОАО Арзамасское научно-производственное предприятие «Темп-Авиа» kseniy_frolova@mail.ru

Поступила в редакцию 22.10.2009

Произведен синтез комплексного измерителя высоты для обеспечения маловысотного полета беспилотного летательного аппарата, защищенного по отношению к отказам и выдаче ложной информации радиовысотомера. Предложен метод контроля измерений радиовысотомера. Реализован фильтр Калмана с запаздыванием, и произведена настройка комплексного измерителя высоты. Приведены результаты моделирования, доказывающие эффективность предложенного метода.

Ключевые слова: беспилотный летательный аппарат, система управления, инерциальная навигацион-

ная система, радиовысотомер, защита информации, Введение

В работе рассматриваются беспилотные летательные аппараты (БПЛА), траектория движения которых включает длительный участок полета на малой высоте над водной поверхностью. Для выполнения поставленной задачи БПЛА снабжается системой управления, которая формирует его траекторию полета в соответствии с заданной пространственной и временной программой. Задачу обеспечения системы управления данными о параметрах движения выполняет входящая в ее состав информационно-измерительная система. Формирование параметров вертикального движения в составе информационно-измерительной системы обеспечивает комплексный измеритель высоты.

Для задачи маловысотного полета комплексный измеритель высоты осуществляет совместную обработку измерений инерциальной навигационной системы (ИНС) и радиовысотомера. ИНС является источником гладкой непрерывной информации о высоте и скорости ее изменения. Радиовысотомер измеряет геометрическую высоту полета - расстояние от летательного аппарата до подстилающей поверхности. Комплексирование информации ИНС и радиовысотомера обеспечивает компенсацию нарастающих ошибок ИНС при сглаживании шумов радиовысотомера.

При нормальном функционировании датчиков комплексный измеритель высоты обеспечивает систему управления точной и непрерывной информацией о параметрах вертикального движения без динамических искажений. Радиовысотомер в процессе полета может отказывать

фильтр Калмана.

или выдавать различного характера ложную информацию о высоте. Наиболее вероятными отказы и выдача ложной информации могут быть при полете БПЛА в зоне барражирования самолетов - поставщиков помех, на участках траектории со сменой эшелона, при полете вблизи мощных радиолокационных станций (РЛС) и в ближней зоне заданной конечной точки при наличии активного радиоэлектронного противодействия. Использование ложной информации в совместной обработке приводит к появлению недостоверных оценок ошибок ИНС и формированию для системы управления параметров вертикального движения, не соответствующих истинному движению БПЛА. Как следствие - нарушение расчетной траектории движения, нештатное приводнение, невозможность выполнения задачи БПЛА.

Целью работы является синтез комплексного измерителя высоты для обеспечения маловысотного полета над водной поверхностью, защищенного по отношению к отказам и ложной информации радиовысотомера.

Проблема защиты от ложной информации обычно решается пороговым контролем текущих измерений и динамической фильтрацией для снижения степени влияния пропущенных помех [1]. Однако эти методы не обеспечивают достаточную надежность исключения ложной информации. Другой известный способ защиты

- сопоставление однотипных измерений от разных источников информации, что обеспечивает достаточное качество исключения ложных измерений в реальном времени [2-4]. Однако это качество обеспечивается аппаратной избыточностью, что во многих случаях является недо-

пустимой ценой за повышенную помехоустойчивость.

Решение задачи усложняется в условиях движения над взволнованной водной поверхностью, поскольку при полете на малой высоте радиовысотомер отслеживает профиль волны, т.е. его измерения содержат погрешность, обусловленную ординатой точки профиля волны, находящейся в центре облучаемой площадки [5]. При этом в рассматриваемых условиях заданная высота маловысотного полета может быть сопоставима с высотой волны.

При решении задачи однозначно принимается, что ИНС является безотказной надежной системой. Конечно, сбой в работе ИНС может произойти, например, при отказе какого-либо датчика первичной информации, в каналах связи или в вычислителе при выполнении недопустимой математической операции. В любом случае, считаем, что сбой в ИНС приведет к невозможности восстановления работоспособности системы. В случае если ИНС откажет, объект (БПЛА) будет потерян.

Алгоритм комплексирования

Совместная обработка информации ИНС и радиовысотомера в комплексном измерителе высоты реализуется в алгоритме комплексиро-вания на основе фильтра Калмана. При использовании метода линейной фильтрации в качестве уравнений динамической системы принимаются уравнения ошибок ИНС в вертикальном канале. Фильтр Калмана дает оптимальную оценку ошибок ИНС, подавляя измерительный шум радиовысотомера [6]. При этом ошибки ИНС являются компонентами вектора состояния х и включают: оценки ошибок ИНС по высоте АН и вертикальной скорости AVy , а также оценку ошибки, эквивалентной нулевому сигналу вертикального акселерометра ô0y :

л л л л T

х = [АН AVy а0y ] . Разность данных о высоте ИНС ( Нинс ) и радиовысотомера ( Нрв ) играет роль измерений для фильтра Калмана: 2 _ Нинс — Нрв .

В алгоритме комплексирования может быть реализован фильтр Калмана в замкнутом или разомкнутом виде.

Применение фильтра по разомкнутой схеме целесообразно лишь при относительно коротких интервалах работы системы. В этом случае коррекция измерений ИНС производится на выходе из алгоритма комплексирования. Кор-

ректируемые параметры предназначены только для системы управления.

При замкнутой схеме реализации фильтра в алгоритме производится расчет высоты и вертикальной скорости интегрированием ускорения ИНС. За начальные значения высоты и вертикальной скорости принимаются соответствующие данные ИНС. Полученные оценки возвращаются в фильтр, образуя обратную связь. Корректируемая информация о высоте и вертикальной скорости выдается в систему управления.

Для задачи защиты от ложной информации радиовысотомера в фильтр Калмана комплексного измерителя высоты вводится запаздывание. Таким образом, фильтр на такте (к +1) использует задержанные измерения ИНС и радиовысотомера, т.е. измерения, рассчитанные на такте (к +1 - N ),

инс рв

Ч+1-N = нк+1-N - нк+1^ ,

при этом осуществляется корректирование априорной оценки вектора состояния

Хк+1- N / к - N с учетом измерений 2к+1-N

хк+1-N = хк+1-N / к - N + Кк+1-N х х {гк+1-N - Нк+1- N ' Хк+1-N / к - N )•

Вектор состояния на выходе фильтра экстраполируется на текущий момент времени с использованием матрицы ¥ , операция

Хк+2 - N = ¥к+2 - N ' Хк+1-N осуществляется N раз.

Алгоритм идентификации ложной информации радиовысотомера

Алгоритм идентификации ложной информации радиовысотомера в составе комплексного измерителя высоты должен обеспечивать:

- своевременную идентификацию ложной информации радиовысотомера;

- исключение из обработки всего сбойного участка;

- качественную экстраполяцию оценок ошибок ИНС в случае идентификации ложных измерений или отсутствия признака достоверности данных радиовысотомера.

При этом должны соблюдаться следующие условия:

- частота принятия хороших измерений за ложные должна быть минимальной и не оказывать влияния на процесс коррекции информации ИНС;

- пропуск нераспознанных ложных измерений не должен искажать коррекцию информации ИНС и оказывать влияния на процессы и безопасность управления.

В рамках поставленной задачи алгоритм защиты выявляет явную ложную информацию, фиксирует моменты появления предположительно сбойной информации и осуществляет расчет резервных параметров.

Анализ литературы показал, что наиболее эффективным методом выявления отказа датчика является допусковый контроль, причем испытание на порог должна проходить невязка фильтра Калмана, формируемая с использованием показаний анализируемого датчика [7]. Использование невязки позволяет идентифицировать ложную информацию измерителя любого характера (одиночный, ступенчатый сбой или сбой в виде экстраполятора первого и выше порядков и др.). Надежность защиты в этом случае определяет правильно подобранный параметр допуска. Именно в этом заключается сложность использования предлагаемого метода. Использование большого параметра допуска может привести к пропуску сбоев малого порядка, малое значение параметра -к принятию истинных измерений за ложные при изменении характера волнения или при активном маневрировании БПЛА.

В алгоритме идентификации комплексного измерителя высоты используется невязка фильтра Калмана из алгоритма комплексиро-вания. Причем испытание на порог проходит не текущее измерение радиовысотомера (в составе невязки фильтра), а измерения на интервале времени. Для этого в алгоритме образуется непрерывно обновляющаяся последовательность задержанных измерений радиовысотомера и ИНС, обладающая свойством РШО-списка. Каждое измерение проходит последовательность от начала до конца и «выталкивается» текущим измерением из конца очереди в алгоритм комплексирования.

Каждое текущее измерение проходит двойной допусковый контроль. Задачей первого до-пускового контроля является идентификация явной ложной информации радиовысотомера. Второй контроль фиксирует возможные отказы. Первый параметр допуска имеет значение:

Ртах = 0.5 • Нзад - половину заданной высоты маловысотного полета. Второй параметр допуска меньше первого: ртп < Ртах и соответствует штатному режиму работы фильтра Калмана. Кроме того, в состав параметров до-

пуска включаются оценка высоты волны в виде среднего квадратичного отклонения (СКО) измерений радиовысотомера, а также составляющая, равная 3% от текущей высоты полета БПЛА, что является средней погрешностью радиовысотомера, зависящей от высоты движения. Таким образом, параметры допуска рассчитываются следующим образом:

ртах = °.5 • Нзад + ^вол + °.°3 • Нтек’

ртт = рф + °вол + °.03 • Нтек ’ где Нзад - заданная высота маловысотного полета; авол - СКО высоты волны от среднего уровня; Нтек - текущая высота полета; рф -

параметр допуска, соответствующий штатному режиму работы фильтра Калмана. Высота волны оценивается по измерениям радиовысотомера в процессе полета.

Алгоритм работает следующим образом. На вход поступает невязка из алгоритма комплекси-рования. Невязка проходит первый допусковый контроль. При превышении невязкой первого параметра допуска текущее измерение радиовысотомера объявляется ложным, комплексный измеритель высоты переходит в режим экстраполяции и одновременно включается счетчик сбоев. Если количество сбоев превышает половину интервала запаздывания (анализ на достоверность проходит последовательность измерений на интервале времени), то все измерения на интервале объявляются ложными и исключаются из комплексной обработки и алгоритма оценки волнения.

Если текущее измерение успешно прошло первый контроль, оно поступает на второй допус-ковый контроль. Если невязка превышает второй параметр допуска, то включается второй счетчик сбоев. В данном случае текущее измерение не объявляется ложным, а начинают рассчитываться резервные параметры: в случае разомкнутой схемы фильтрации - вектор состояния фильтра, в случае замкнутой - вектор состояния, а также высота и вертикальная скорость комплексного измерителя высоты, которые при замкнутой схеме фильтрации рассчитываются в алгоритме и корректируются на каждом такте. Резервные параметры используются, если алгоритм переходит в режим экстраполяции с ненулевым значением счетчика сбоев второго допускового контроля.

По окончании режима экстраполяции между данными комплексного измерителя высоты и радиовысотомером появится рассогласование, а следовательно, увеличится значение невязки в фильтре Калмана на первых тактах работы. Соответственно для исключения

Таблица

Интервал сходимости, с Предельное время запаздывания, с

50 2.1

100 8.0

150 9.6

200 12.0

250 14.0

идентификации ложной информации в этом случае в режиме экстраполяции должны увеличиваться параметры допуска. Причем их увеличение должно соответствовать формируемой подставке по высоте и вертикальной скорости БПЛА в режиме экстраполяции. После входа в штатный режим комплексирова-ния параметры допуска должны приводиться к своим номинальным значениям, например через апериодическое звено. Постоянные времени для параметров допуска должны определяться динамическими характеристиками фильтра Калмана.

Невязка, прошедшая двойной контроль в алгоритме идентификации и задержанная на интервал запаздывания, возвращается в алгоритм комплексирования, где производится формирование оценок ошибок ИНС. Измерения радиовысотомера, соответствующие прошедшей контроль невязке, используются для оценки параметров волнения.

Анализ на достоверность измерений радиовысотомера по предложенной схеме обеспечивает повышенную надежность оценок ошибок ИНС в вертикальном канале.

Настройка комплексного измерителя высоты

Введение запаздывания в фильтр для защиты от ложной информации позволило проводить анализ последовательности измерений радиовысотомера на интервале времени и тем самым увеличить надежность защиты. Чем длиннее интервал, тем выше достоверность результатов анализа. Однако с увеличением интервала запаздывания снижается устойчивость фильтра Калмана, а следовательно, контура стабилизации высоты.

Для выбора приемлемых настроек фильтра Калмана в комплексном измерителе высоты необходимо провести исследование зависимости допустимого времени запаздывания от интервала сходимости фильтра. Было прове-

дено математическое моделирование реальной системы. Для различных заданных интервалов сходимости фильтра выбирались максимально большие интервалы запаздывания, при которых фильтр оставался в устойчивом состоянии. В результате было выявлено, что чем меньше интервал сходимости фильтра Калмана, тем меньший интервал запаздывания может быть использован в комплексном измерителе высоты. При моделировании рассматривался интервал сходимости фильтра по оценке нулевого сигнала.

В таблице для моделируемой системы приведены предельные времена запаздывания для соответствующих интервалов сходимости фильтра Калмана.

Для реализации в рассматриваемой системе был выбран интервал сходимости фильтра в 100 секунд, для которого интервал запаздывания с высокой степенью надежности может быть ограничен значением 5 секунд.

Результаты моделирования

На рис. 1 отказ радиовысотомера моделируется на участке пикирования в виде выдачи ложной информации о высоте с запаздыванием снятия и опережением выставки признака достоверности данных. На рис. 2 приведены результаты моделирования в случае выдачи радиовысотомером ложной информации на участке выхода из пикирования на заданную высоту 10 м. Отказ на участке выхода наиболее опасен из-за возможности просадки изделия.

На рисунках приведены истинная высота полета над эллипсоидом Нист, высота комплексного измерителя высоты Нкив, высота, измеренная радиовысотомером, Нрв, признак достоверности данных в соответствующем масштабе ДДрв.

Рис. 1. Ложная информация на участке пикирования - экстраполятор нулевого порядка, признак достоверности данных радиовысотомера в масштабе 2000

*?

Гншгнн« в И 0

____Вили_______________£___1______Л________X.

Рис. 2. Ложная информация на участке выхода из пикирования - экстраполятор нулевого порядка, признак достоверности данных радиовысотомера в масштабе 80

ит. ЛЬ.

^ . 1 —<*— у 1 Г&г У1  г

-а! . . . .

і 4 -М у/ ! Л'

і 1 . і . г и ь1 Ь .. в ± Г- У/ 'ЛА А -ч. е+э

Рис. 3. Одиночный и ступенчатый сбои в горизонтальном полете, признак достоверности данных радиовысотомера в масштабе 70

к.. ЛЬ.

4 і , / і—^ Vі і 1-  г

1 л і 11. т ) У/ !

Ті 1 У/

Гнии 1ИГ ы ! № Л,

____Зли__________________:______________1________________________

Рис. 4. Экстраполятор первого порядка в горизонтальном полете, признак достоверности данных радиовысотомера в масштабе 50

Моделирование показало, что сбойная работа Моделирование ложной информации ра-радиовысотомера не влияет на процесс выхода диовысотомера на участке горизонтального БПЛА из пикирования, комплексный измери- полета проводится в виде одиночного и сту-тель высоты обеспечивает безопасность полета. пенчатого сбоев и экстраполятора первого по-

А- д. Я

r-UAÄJJ чіЧіАїр-L4 ff. п  1 - L 1 il ..U . \ 4M пґ ‘

Н шагав. .1 I. I, 1ш1

лппв! ы  и и

____Иддд — :_______:_______:__________________________

Рис. 5. Одиночный и ступенчатый сбои в горизонтальном полете, признак достоверности данных радиовысотомера в масштабе 70

Рис. б. Экстраполятор первого порядка в горизонтальном полете, признак достоверности данных радиовысотомера в масштабе SO

рядка с сохранением признака достоверности данных.

На рис. 3, 4 приведены результаты моделирования работы комплексного измерителя высоты с использованием в алгоритме комплекси-рования измерений радиовысотомера, не прошедших контроль на достоверность. На рисунках приведены высота истинная, высота, измеренная радиовысотомером, высота, рассчитанная КИВ, и признак достоверности данных. На рис. 3 представлены результаты моделирования одиночного и ступенчатого сбоев, на рис. 4 -экстраполятор первого порядка.

Результаты показывают, что использование ложной информации радиовысотомера в совместной обработке комплексного измерителя высоты приводит в горизонтальном полете к просадке БПЛА относительно заданной траектории

полета. Ступенчатый сбой и экстраполятор первого порядка вызывают просадку до отрицательной высоты, что в реальных условиях применения эквивалентно приводнению БПЛА.

На рис. 5, 6 приведены результаты моделирования отказных ситуаций с использованием в совместной обработке измерений, прошедших алгоритм идентификации ложной информации.

Моделирование показало надежную идентификацию ложной информации радиовысотомера по предложенной схеме и исключение из обработки недостоверных данных.

На рис. 7 приведены параметры допуска алгоритма идентификации ложной информации, невязка фильтра Калмана и признак экстраполяции комплексного измерителя высоты. Рисунки 6, 7 наглядно демонстрируют работу комплексного измерителя высоты при наличии

отказа. На 200-й секунде автономного полета радиовысотомер начинает выдавать ложную информацию. В этот момент времени начинает увеличиваться невязка фильтра Калмана (рис. 7). Как только невязка становится больше второго параметра допуска Ртп, в алгоритме идентификации ложной информации начинают рассчитываться резервные параметры, хотя признак экстраполяции (/экстр ) еще не выставлен и решение о наличии сбоя не принято. До 201.5 с высота комплексного измерителя высоты приводится к ложной высоте радиовысотомера (рис. 6). Однако после превышения невязкой первого параметра допуска Ртах выставляется признак экстраполяции комплексного измерителя высоты и производится замена данных алгоритма на резервные параметры вертикального движения (201.5 с автономного полета, рис. 6). В режиме экстраполяции комплексный измеритель высоты обеспечивает систему управления достоверной информацией о высоте и вертикальной скорости. После выхода радиовысотомера в режим измерения высоты признак экстраполяции снимается и комплексный измеритель высоты возобновляет работу в штатном режиме комплексирования.

Заключение

В работе проведен синтез комплексного измерителя высоты. Свойства повышенной точности и достоверности информации комплексного измерителя высоты, полученные за счет использования нового подхода к защите от ложной ин-

формации радиовысотомера, позволили решить задачу безопасности движения БПЛА на малой высоте над взволнованной водной поверхностью в условиях отказов радиовысотомера.

Таким образом, в настоящей работе предложен новый подход к построению помехозащищенной радиоинерциальной комплексной измерительной системы для системы управления полетом БПЛА на малой высоте над взволнованной водной поверхностью. Данный подход содержит принципиальные решения, методические основы и алгоритмы для применения в составе технически реализуемых систем управления.

Список литературы

1. Голован А.А., Горицкий А.Ю., Парусников Н.А., Тихомиров В.В. Алгоритмы корректируемых инерциальных навигационных систем, решающих задачу топопривязки/ Под ред. Н.А. Парусникова. М.: Изд. механико-математического факультета МГУ, 1994.44 с.

2. Справочник по теории автоматического управления/ Под ред. А.А. Красовского. М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1987. 712 с.

3. Фролов В.С. Радио-инерциальные системы наведения. М.: Советское радио, 1976. 184 с.

4. Небылов А.В. Измерение параметров полета вблизи морской поверхности. СПб.: СПбГААП, 1994. 307 с.

5. Кузовков Н.Т., Салычев О.С. Инерциальная навигация и оптимальная фильтрация. М.: Машиностроение, 1982. 216 с.

6. Дмитриев С.П., Колесов Н.В., Осипов А.В. Информационная надежность, контроль и диагностика навигационных систем. СПб.: СПбГААП, 2004. 208 с.

INTEGRATED FAULT-TOLERANT ALTITUDE MEASURING SYSTEM FOR AN UAV

O.A. Frolova

The paper treats the integrated altitude measuring system synthesis for an UAV low-altitude flight support, the measuring system being protected against radio altimeter faults and invalid data. A method for the radio altimeter measurement data monitoring is proposed. The delayed Kalman filter is implemented, and an adjustment of the integrated altitude measuring system is performed. Simulation results demonstrating the efficiency of the proposed method are given.

Keywords: unmanned aerial vehicle (UAV), control system, inertial navigation system, radio altimeter, data protection, information security, the Kalman filter.