НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ“

КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

Гогун Юрій Вячеславович

УДК 531.383

ДИНАМІКА ТА ПОХИБКИ

ІНТЕГРОВАНОЇ НАВІГАЦІЙНОЇ СИСТЕМИ

НАЗЕМНОГО ОБ'ЄКТА

Спеціальність 05.11.03 – “Гіроскопи та навігаційні системи”

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

КИЇВ – 2001

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі приладів і систем керування літальними апаратами Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник Лауреат державних премій СРСР та України, доктор технічних наук, професор ЗБРУЦЬКИЙ Олександр Васильович Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, завідувач кафедри приладів та систем керування літальними апаратами, декан факультету авіаційних та космічних систем

Офіційні опоненти: Лауреат Державної премії України, доктор технічних наук, професор Блохін Леонід Миколайович Національний авіаційний університет, завідувач кафедри систем управління і метрології; Кандидат технічних наук, доцент Бондар Павло Михайлович Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, доцент кафедри приладів і систем орієнтації та навігації

Провідна установа Науково-дослідний інститут “Квант - Навігація” Міністерства промислової політики України

Захист відбудеться 25.01.2002 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.002.07 при Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, м. Київ, проспект Перемоги, 37, корп. ___, ауд. ______.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, м. Київ, проспект

Перемоги, 37.

Автореферат розісланий 24.12.2001р.

Виконуючий обов'язки вченого секретаря спеціалізованої вченої ради д.т.н., професор Л.М. Рижков

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Постійне розширення області застосування засобів наземного транспорту різко підвищило інтенсивність руху транспортних засобів, що, у свою чергу, висуває принципово нові вимоги до цілого ряду параметрів експлуатації наземного транспорту, до числа яких можна віднести:

·

· ефективність використання засобів транспорту;

· ступінь універсалізації обладнання транспортних засобів для забезпечення виконання різних функціональних задач.

Високі вимоги до якості навігаційного забезпечення наземних об'єктів пояснюють появу нових підходів в області розробки навігаційних систем (НС) транспортних засобів. Жодна з традиційно використовуваних навігаційних систем окремо не забезпечує вимоги по безперервному високоточному визначенню місцеположення наземного об'єкта незалежно від часу роботи навігаційної апаратури та пройденого шляху. У той же час, аналіз сучасного стану навігаційного обладнання наземних рухомих об'єктів, дослідження переваг та недоліків автономних навігаційних систем і апаратури користувача (АК) супутникових навігаційних систем (СНС) показали, що успішне виконання задачі високоточного, безупинного, надійного визначення навігаційних параметрів руху об'єкта можливо за умови раціонального використання всієї сукупності навігаційної інформації від різнотипних навігаційних засобів, об'єднаних у єдиний комплекс – інтегровану навігаційну систему.

Актуальність проблеми побудови інтегрованих НС знаходить відображення в діяльності цілого ряду фірм-виробників, зусилля яких спрямовані на розробку ефективних і надійних інтегрованих НС для розміщення на борту різноманітних наземних об'єктів. У той же час, аналіз сучасних розробок в галузі навігаційного приладобудування показав, що задача створення інтегрованої НС для застосування на борту наземних об'єктів на базі автономної навігаційної системи та АК СНС і досі не вирішена в повному обсязі жодним розробником.

Розроблена інтегрована НС наземного об'єкта побудована на базі одометричної навігаційної системи (ОНС), до складу якої входять гіроскоп напрямку (ГН), механічний датчик швидкості (МДШ), маятниковий датчик кута (МДК), та АК СНС. Таким чином, побудова інтегрованої НС спирається на типове навігаційне обладнання наземних рухомих об'єктів: ОНС традиційно використовуються на борту наземних транспортних засобів різних типів, в той же час АК СНС, яка вже широко застосовується при експлуатації різноманітних транспортних засобів, найближчим часом має стати типовим в області навігаційного обладнання засобів наземного транспорту.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася як складова частина досліджень, що проводяться кафедрою приладів та систем керування літальними апаратами факультету авіаційних та космічних систем НТУУ "КПІ" та Науково–аналітичним центром критичних технологій навігаційного приладобудування (НАЦ КТНП) при НТУУ "КПІ". Наукові та практичні результати дисертаційної роботи використовувалися:

1. Науково-аналітичним центром критичних технологій навігаційного приладобудування (НАЦ КТНП) при Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” (НТУУ “КПІ”) у відповідності з ДКР "Розробка датчика кутової швидкості" з Львівськім науково-дослідним радіотехнічним інститутом (ЛНДРТІ), державна угода № 928/269 від 2 вересня 1999 р. Здобувачем розроблена структурна схема та алгоритм функціонування інтегрованої НС з використанням оптимальної фільтрації Калманівського типу та програми напівнатурного моделювання роботи інтегрованої НС.

2. Кафедрою приладів та систем керування літальними апаратами НТУУ “КПІ” в навчальному процесі у вигляді методичних вказівок до вивчення курсу “Супутникові навігаційні системи” для студентів спеціальності “Системи керування літальними апаратами та комплексами” денної форми навчання.

Мета і задачі досліджень. Метою дисертаційної роботи є розробка структури інтегрованої навігаційної системи для визначення координат та курсу наземного об'єкта, розробка і дослідження математичної моделі похибок та алгоритму її функціонування.

Для досягнення поставленої мети розв'язані наступні задачі:

1. Розроблена структурна схема інтегрованої НС. Проаналізовані математичні моделі функціональних елементів та на їх основі розроблена модель похибок інтегрованої НС.

2. Розроблено алгоритм функціонування інтегрованої НС. Досліджено алгоритм функціонування інтегрованої НС, його чутливість до неточності задання параметрів математичної моделі.

3. Розроблені програми моделювання роботи інтегрованої НС.

4. Вироблені рекомендації по зниженню похибок інтегрованої НС, підвищенню надійності і достовірності навігаційних вимірів.

Об'єктом досліджень виступає створення нових типів навігаційних систем з метою підвищення точності та надійності навігаційного забезпечення.

Предметом досліджень є розробка інтегрованої навігаційної системи наземного об'єкта на базі одометричної навігаційної системи та приймача супутникових навігаційних систем.

Методами досліджень являються методи теоретичної механіки, теорії гіроскопів, систем автоматичного керування, випадкових процесів, методи чисельного інтегрування диференційних рівнянь, цифрового моделювання на ПЕОМ.

Наукова новизна одержаних результатів. В результаті проведених досліджень були одержані наступні нові результати, які виносяться на захист:

1. Розроблено методику визначення геометричного фактора зниження точності приймача сигналів супутникових навігаційних систем, яка вирізняється математичною економністю та простотою реалізації в електронних засобах обробки інформації.

2. Проведено аналіз властивостей та основних технічних характеристик типового навігаційного обладнання наземного об'єкта, що дозволило розробити структуру інтегрованої НС, призначеної для визначення координат і курсу наземного об'єкта. Показано, що для забезпечення вимог по навігації наземного об'єкту до складу системи повинні входити гіроскоп напрямку, механічний датчик швидкості, маятниковий датчик кута та приймач сигналів супутникових навігаційних систем.

3. Розробка та дослідження математичної моделі похибок визначення кутів орієнтації об'єкта з використанням багатоантенної апаратури користувача супутникових навігаційних систем довели спроможність інтерферометричного приймача сигналів супутникових навігаційних систем вимірювати кути орієнтації об'єкту з високою точністю та можливість розширення функцій інтегрованої навігаційної системи.

Розроблено математичну модель похибок системи аналітичного визначення курсу, яка дозволила зробити висновок про можливість створення наземного гірокомпаса на базі датчика кутової швидкості та ускладненість використання системи аналітичного курсовизначення на рухомому об'єкті.

Отримано математичну модель похибок інтегрованої НС, яка поєднує модель похибок гіроскопа напрямку, механічного датчика швидкості, апаратури користувача супутникових навігаційних систем і моделі зовнішніх збурень та дозволяє досліджувати динаміку та похибки системи при довільному русі об'єкта.

4. Розроблено алгоритм функціонування інтегрованої НС на базі оптимального дискретного фільтра Калмана. Результати дослідження штатного та нештатного (при зриві прийому сигналів навігаційних супутників) режимів функціонування свідчать про високу точність визначення навігаційних параметрів інтегрованою НС, її надійність та достовірність навігаційних даних.

5. Отримані формули для аналізу чутливості алгоритму функціонування інтегрованих НС до неточності задання параметрів математичної моделі дозволили зробити висновок про значну стійкість алгоритму роботи системи до неточності задання параметрів математичної моделі.

Практичне значення одержаних результатів. Практична цінність одержаних результатів полягає в тому, що на основі дослідження динаміки і похибок інтегрованої навігаційної системи наземного об'єкта визначені основні особливості системи в порівнянні з іншими навігаційними комплексами. Аналіз моделі похибок системи аналітичного визначення курсу на базі датчика кутової швидкості призвів до розробки рекомендацій по використанню системи аналітичного курсопоказання в залежності від точності її основних функціональних елементів. На основі аналізу існуючих методів визначення геометричного фактора зниження точності приймача супутникових навігаційних систем розроблено нову методику розрахунку геометричного фактора, яка не потребує проведення значної кількості математичних операцій. Дослідження способів визначення орієнтації об'єкта за допомогою багатоантенного приймача супутникових навігаційних систем дозволили скласти модель похибок визначення кутів орієнтації об'єкта з використанням багатоантенної апаратури користувача супутникових навігаційних систем та виробити рекомендації щодо застосування приймача супутникових навігаційних систем на борту об'єкта. Отримані формули для розрахунку основних похибок інтегрованої навігаційної системи. На основі розробленої математичної моделі інтегрованої навігаційної системи наземного об'єкта узагальнено точносні характеристики інтегрованої навігаційної системи в залежності від точності її функціональних елементів. Отримані рекурентні формули для аналізу чутливості алгоритмів функціонування інтегрованих НС до неточності задання параметрів математичної моделі системи та висунуті рекомендації щодо оптимального вибору параметрів фільтра Калмана інтегрованої НС наземного об'єкта. З метою дослідження динаміки інтегрованої навігаційної системи розроблено пакет прикладних програм для напівнатурного моделювання роботи інтегрованої навігаційної системи при довільному русі об'єкта.

Апробація результатів дисертації. Наукові результати дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на наступних науково-технічних конференціях: І Національній науково-технічній конференції “Гіротехнології, навігація та управління рухом”, 1995 р., Київ; ІІ Міжнародній науково-технічній конференції “Гіротехнології, навігація та управління рухом”, 1997 р., Київ; V Китайсько-Російсько-Українському симпозіумі з космічної науки та техніки, 2000 р., Харбін, Китай; ІІІ Міжнародній науково-технічній конференції “Гіротехнології, навігація та управління рухом”, 2001 р., Київ.

Публікації. Основні результати роботи опубліковані в 6 науково–технічних статтях, з них 5 у наукових фахових виданнях України, та 6 доповідях і тезах доповідей на конференціях.

Структура та об'єм дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, 4 розділів, висновків та додатку. Обсяг основної частини роботи становить 157 стор. В роботі приведено 73 графіка і схеми та 8 таблиць. Список використаних джерел містить 89 назви на 9 сторінках. Обсяг роботи разом з додатком – 195 стор.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі охарактеризована проблема, обгрунтована актуальність роботи, сформульована її мета, наведені основні наукові та практичні результати, які отримані в дисертації і виносяться на захист, показана структура та об'єм дисертації.

Перший розділ присвячено огляду сучасного стану та перспектив розвитку автономних, супутникових та інтегрованих навігаційних систем, а також аналізу алгоритмів їх функціонування. На основі аналізу поданого в даному розділі дисертації матеріалу сформульовано задачі, що потребують вирішення.

В другому розділі розроблена структурна схема та наведено принцип дії інтегрованої навігаційної системи наземного об'єкта, побудованої на базі гіроскопа напрямку, механічного датчика швидкості, маятникового датчика кута та приймача сигналів супутникових навігаційних систем (рис.1).

Рис.1. Структурна схема інтегрованої НС

Тут позначено: ГН - гіроскоп напрямку; МДШ – механічний датчик швидкості; МДК - маятниковий датчик кута; АК СНС - апаратура користувача супутникових навігаційних систем; ООНС - обчислювач одометричної навігаційної системи; БОП - блок оцінки похибок; ПВІ - пристрій візуалізації інформації; Кл1, Кл2, Кл3, Кл4 - ключі 1, 2, 3, 4; С1, С2 - суматори 1, 2; - координати об'єкта, що визначаються АК СНС; - швидкість та прискорення об'єкта, що визначаються АК СНС; - поточний час; dК - сигнал приросту кута курсу з ГН; V - сигнал швидкості об'єкта з механічного датчика швидкості; - горизонтальні координати об'єкта, що визначаються в обчислювачі одометричної навігаційної системи; - швидкість та кут курсу об'єкта, що визначаються в обчислювачі одометричної навігаційної системи; - кут тангажа об'єкта, вимірюваний маятниковим датчиком кута; - істинний кут тангажа; - прискорення сили тяжіння; b0 - кут горизонтальної міжрамочної корекції гіроскопа напрямку; - похибка масштабного фактора механічного датчика швидкості; - похибки визначення горизонтальних координат об'єкта; - оцінки похибки кута курсу, дрейфу гіроскопа, масштабного фактора механічного датчика швидкості і прискорення об'єкта.

Призначена для визначення координат, швидкості і курсу рухомого наземного об'єкта інтегрована НС має два режими функціонування.

Нормальний (штатний) режим роботи передбачає, що в АК СНС відбувається прийом і обробка інформації від достатньої кількості навігаційних супутників (мінімум чотирьох), що дозволяє приймачу сигналів СНС виробляти високоточні дані про координати і шляхову швидкість об'єкта, а також видавати інформацію про поточний час. У штатному режимі ключі 1, 2, 3 замкнуті, ключ 4 знаходиться в розімкнутому положенні. З АК СНС на пристрій візуалізації інформації надходять дані про координати, шляхову швидкість і поточний час. У блоці обчислювача ОНС реалізований алгоритм визначення координат і курсу об'єкта методом розрахунку шляху. В блоці оцінки похибок, в основі якого лежить алгоритм оптимальної фільтрації Калмана, відбувається оцінювання величин, що впливають на точність визначення навігаційних параметрів одометричною навігаційною системою. У результаті на вхід ООНС подається оцінена похибка визначення кута курсу та масштабного фактора МДШ і дрейф гіроскопа.

Переведення інтегрованої НС у нештатний режим роботи здійснюється у випадку низької достовірності даних АК СНС. Перехід в нештатний режим здійснюється розмиканням ключів 1, 2, 3 і замиканням ключа 4. У нештатному режимі виключається надходження недостовірних даних з АК СНС в ПВІ, а вихідними навігаційними параметрами інтегрованої НС є координати, швидкість і кут курсу об'єкта, обчислені в блоці ООНС. У нештатному режимі переривається процес оцінювання похибок, а при вирішенні навігаційної задачі в блоці ООНС використовуються останні перед переходом у позаштатний режим оцінки похибки кута курсу, дрейфу гіроскопа та масштабного фактора МДШ. Сигналом до переведення інтегрованої НС у штатний режим роботи служить генерація інформаційного прапора достовірності даних АК СНС. З метою зменшення неоднозначності в процесі вирішення навігаційної задачі приймачем СНС, а отже, скорочення часу до моменту видачі перших навігаційних визначень, в АК СНС поступає інформація про координати і швидкість об'єкта з блока ООНС.

В інтегрованій НС процес розв'язання навігаційної задачі відділений від алгоритму знаходження оцінок похибок. Розділення каналів обчислення координат, курсу об'єкта та оцінювання похибок дозволило істотно спростити алгоритм функціонування системи та підвищити її надійність. У той же час ця схема обробки інформації не знизила цілісність системи, а також не внесла негативного впливу на точність визначення навігаційних параметрів.

Розроблено математичні моделі похибок функціональних елементів інтегрованої НС, проведено їх дослідження. На підставі проведеного аналізу похибок основних компонентів системи складено математичну модель похибок інтегрованої НС, в основу якої були покладені рівняння руху ГН та рівняння похибок визначення координат об'єкта автономним навігаційним блоком, доповнені моделлю збурень: моделями дрейфу гіроскопа, лінійного прискорення та похибки масштабного фактора МДШ. Побудована математична модель похибок інтегрованої НС повністю описує поведінку навігаційної системи: рух гіроскопа напрямку в азимуті та горизонті в умовах випадкових збурень - пружних коливань та маневруванні об'єкта, дрейфи гіроскопа, похибки механічного датчика швидкості, прискорення об'єкта, а також похибки визначення горизонтальних координат одометричною навігаційною системою.

Аналіз алгоритмів визначення кутів орієнтації об'єкта за допомогою багатоантенної АК СНС спрямував розробку моделі похибок приймача, що в результаті дозволило зробити висновок про те, що використання багатоантенного приймача СНС, який реалізує фазові вимірювання, забезпечить високу точність визначення кутів курсу, крену та тангажа об'єкта.

Проведено дослідження структурної схеми системи аналітичного курсопоказання та розроблено алгоритм роботи системи. Аналіз складеної моделі похибок системи аналітичного курсопоказання дозволив зробити висновок про те, що існує можливість побудови наземного гірокомпаса на базі датчика кутової швидкості; в той же час застосування методів аналітичного курсопоказання при русі об'єкта ускладнюється необхідністю включати до структури системи прецизійні функціональні елементи.

Третій розділ присвячено розробці та дослідженню алгоритму функціонування, моделюванню роботи та аналізу властивостей інтегрованої НС.

Математичну модель інтегрованої НС представлено в векторно-матричному вигляді

, (1)

де– вектор стану системи, до якого входять такі змінні: похибка кута курсу , кут відхилення платформи КГК від площини горизонту b; прискорення об'єкта ; похибка масштабного одометра ; дрейфи гіроскопа ; похибки визначення горизонтальних координат об'єкта ; U(t) – вектор відомих вхідних впливів (у тому числі сигналів керування); W(t) – вектор випадкових вхідних впливів; A(t), G(t), B(t) – матриці, які називаються відповідно матрицею стану, матрицею керування і матрицею вхідних впливів, і утворені з відповідних коефіцієнтів диференційних рівнянь першого порядку, що описують динаміку системи

Вектор вимірювання інтегрованої НС має вигляд:

, (2)

де–

матриця вимірювання;

– вектор шумів вимірів: - шуми вимірювання кута горизонтальної корекції в гіроскопі напрямку, шум вимірювання прискорення об'єкту приймачем СНС та шуми вимірювання координат місцезнаходження об'єкту приймачем СНС.

Показано, що алгоритм дискретного фільтра Калмана (ФК), який використується при синтезі алгоритму обробки інформації в інтегрованій НС, дозволяє виробляти оптимальні оцінки елементів вектора стану системи.

Розроблений універсальний алгоритм, призначений для оцінки чутливості ФК до неточності задання параметрів математичної моделі, дозволив зробити висновок про значну стійкість алгоритму функціонування до неточності задання параметрів математичної моделі інтегрованої НС.

Для проведення комп'ютерного моделювання роботи інтегрованої НС розроблено пакет прикладних програм, що складається з модуля, написаного на мові Pascal, а також програм, створених у пакетах Matlab 2001 та Mathcad 2000 Professional.

При напівнатурному моделюванні використовувалися наступні чисельні параметри ОНС:

·

· СКВ похибки визначення кута тангажа

Координати початкової точки передбачалися рівними = 50° півн.ш., = 30° сх.д.

Моделі курсу , кутів тангажа і крену , прискорення і швидкості задавалися як відомі функції часу: = 45°; == 0°; ;

Результати напівнатурного моделювання штатного режиму роботи інтегрованої НС наведені на рис. 2-4.

Середньоквадратичне відхилення (СКВ) похибок визначення широти, довготи та швидкості склали = 3,16 м, = 4,73 м та = 0,05 м/c відповідно.

У розробленій інтегрованій НС похибка курсовизначення зменшилася до розміру помилки оцінки похибки ГН фільтром Калмана і склала = 6,54 кут. хв (СКВ) для гіроскопа з дрейфом, характер якого показано на рис. 5 (оцінка дрейфу зображена пунктиром), – рис. 6.

Рис. 5. Дрейф ГН

Рис. 6. Похибка курсовизначення інтегрованої НС

СКВ помилки визначення прискорення, отримане при диференціюванні даних з приймача СНС, склало =0,019 м/c2. Завдяки згладжуючим властивостям фільтра Калмана в інтегрованій НС СКВ помилки визначення прискорення знизилося до = 0,01 м/c2.

Проведено моделювання нештатного режиму роботи інтегрованої НС за умови тих же самих характеристик автономного блоку системи, що й при моделюванні штатного режиму роботи. При моделюванні нештатного режиму імітувався зрив сигналу з приймача СНС в момент часу = 3660 с. Результати моделювання нештатного режиму інтегрованої НС на короткому (60 с) та довгому (600 с) відрізках часу свідчать про те, що похибка курсовизначення інтегрованої НС в нештатному режимі на протязі 60 с не перевищила 54 кут. хв, а на протязі 600 с – 5°; похибка визначення координат об'єкта на протязі 60 с не перевищила 8 м, а на протязі 600 с – 160 м.

З метою узагальнення результатів досліджень було проведено напівнатурне моделювання інтегрованої НС, побудованої на різних по точності гіроскопах напрямку. На рис. 7 показаний графік зміни похибки визначення курсу об'єкта інтегрованої НС у штатному режимі в залежності від дрейфу гіроскопа. Графіки, зображені на рис. 8, 9, характеризують зміну похибки визначення навігаційних параметрів руху об'єкта інтегрованої НС у нештатному режимі в залежності від дрейфу гіроскопа (у якості відрізка часу роботи системи в нештатному режимі обраний інтервал, рівний 60 с).

Рис. 7. Похибка курсовизначення модифікацій інтегрованої НС в штатному режимі

Рис. 8. Похибка курсовизначення модифікацій інтегрованої НС в нештатному режимі Рис. 9. Похибка визначення координат модифікацій інтегрованої НС в нештатному режимі

Наведені вище результати напівнатурного моделювання показують високі точностні характеристики розробленої інтегрованої навігаційної системи при довільних умовах руху об'єкта. Так, в штатному режимі похибка визначення поточних координат об'єкта зберігається на рівні похибки використовуваного в інтегрованій НС приймача, а похибка визначення кута курсу не перевищує декількох кутових хвилин. В нештатному режимі в залежності від точності гіроскопа, що входить до складу інтегрованої НС, похибка визначення місцезнаходження складає від декількох десятків сантиметрів до 25 метрів, а похибка курсовизначення – від декількох кутових хвилин до декількох градусів. Результати досліджень свідчать про широку сферу застосування інтегрованої НС, що включає до складу автономний блок середньої або низької точності та приймач СНС.

Четвертий розділ присвячено експериментальним дослідженням інтегрованої НС, які дозволили проаналізувати властивості інтегрованої навігаційної системи та її компонентів.

Перевірені основні технічні характеристики АК СНС СН-3003 "Базальт", проаналізовано вплив зовнішніх факторів на якість навігаційних вимірів, зроблено висновок про неможливість визначення кута курсу за допомогою одноантенних приймачів СНС через залежність точності визначення кута курсу від швидкості руху. Встановлено, що повне відновлення видачі навігаційних даних приймачем СНС після зриву сигналу навігаційних супутників складає близько 25 с.

Підтверджено основні теоретичні результати дисертації. З цією метою були проведені стендові випробування інтегрованої НС наземного об'єкта, до складу якої входили наступні складові елементи: навігаційний приймач СНС ГЛОНАСС – GPS NAVSTAR СН-3003 “Базальт”, гіроскоп напрямку ГПК-52, аналого-цифровий перетворювач та ПЕОМ, яка призначалася для поєднання функціональних елементів системи, обробки та візуалізації результатів навігаційних вимірювань. Результати стендових випробувань макету інтегрованої НС підтвердили адекватність отриманої моделі похибок системи та розроблених алгоритмів функціонування інтегрованої навігаційної системи.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

Дисертаційна робота присвячена розробці інтегрованої навігаційної системи наземного об'єкта. В результаті проведених в дисертаційній роботі досліджень показана можливість підвищення точності та надійності отримання навігаційної інформації на борту наземних об'єктів за рахунок об'єднання різнорідних навігаційних датчиків в єдину інтегровану навігаційну систему.

Аналіз схем побудови навігаційних засобів наземних об'єктів довів, що необхідна для забезпечення користувача навігаційною інформацією інтегрована НС може бути створена на базі типового навігаційного обладнання, яке знаходиться на борту наземного об'єкта, – одометричної навігаційної системи та приймача СНС.

В результаті досліджень розроблено структуру інтегрованої НС та складено математичну модель системи, в основу якої покладені рівняння руху гіроскопа напрямку та рівняння похибок визначення координат об'єкта автономним навігаційним блоком, доповнені моделлю збурень: моделями дрейфу гіроскопа, лінійного прискорення та похибки масштабного фактора механічного датчика швидкості.

Алгоритм функціонування інтегрованої НС базується на використанні оптимального фільтра Калмана, що поруч з роздільністю каналів оцінювання похибок системи та вирішення навігаційної задачі забезпечує простоту структури системи, гнучкість та надійність її роботи. Результати дослідження режимів функціонування інтегрованої НС наземного об'єкта свідчать про високу точність визначення навігаційних параметрів в умовах довільного руху об'єкта.

З метою дослідження похибок інтегрованої НС отримані узагальнені формули для аналізу чутливості алгоритмів функціонування інтегрованих навігаційних систем до неточності задання параметрів математичної моделі, які показали значну стійкість алгоритму функціонування розробленої інтегрованої НС наземного об'єкта.

В роботі досліджені властивості основних функціональних компонентів інтегрованої НС. Розробка та аналіз математичної моделі похибок визначення кутів орієнтації об'єкта з використанням багатоантенної апаратури користувача супутникових навігаційних систем довели спроможність інтерферометричного приймача сигналів супутникових навігаційних систем вимірювати кути орієнтації об'єкту з високою точністю. Отримана математична модель похибок системи аналітичного визначення курсу, яка дозволила зробити висновок про можливість створення наземного гірокомпаса на базі датчика кутової швидкості та ускладненість використання системи аналітичного курсовизначення на рухомому об'єкті.

Проведене напівнатурне моделювання роботи та стендові випробування макету інтегрованої НС підтвердили високу точність, надійність та достовірність надання навігаційної інформації, що свідчить про працездатність і високі якості розробленої інтегрованої навігаційної системи.

ОСНОВНІ ПУБЛІКАЦІЇ

1. Збруцький О.В., Гогун Ю.В. Навігація наземного об'єкта за допомогою інтегрованої навігаційної системи // Космічна наука і технологія. - 2001. - Т. 7. - №4. - С. 45-50.

2. Лук'яненко М. В., Гогун Ю.В., Карпань С.В. Аналіз характеристик апаратури користувача супутникових навігаційних систем для точної синхронізації часу // Наукові вісті НТУУ "КПІ". - 2001. - №2. - С. 103-107.

3. Збруцький О.В., Гогун Ю.В. Обчислення геометричного фактора зниження точності приймача супутникових навігаційних систем // Наукові вісті НТУУ "КПІ". - 2001. - №1. - С. 45-47.

4. Збруцький О.В., Гогун Ю.В. Прямий метод обчислення кутів орієнтації об'єкта при використанні приймача сигналів супутникових навігаційних систем // Наукові вісті НТУУ "КПІ". - 2000. - №6. - С. 93-96.

5. Гогун Ю.В, Діденко С.М. Аналітичне визначення курсу датчиками кутової швидкості // Наукові вісті НТУУ "КПІ". - 2000. - №2. - С. 66-74.

6. Гогун Ю.В., Хмеленко А.О. Алгоритм визначення курсу рухомого наземного об'єкта // Прикладна геометрія та інженерна графіка. - 1999. - №65. - С. 193-196.

7. Збруцький О.В., Гогун Ю.В. Інтегрована навігаційна система рухомого наземного об'єкта // ІІІ Международная научно-техническая конференция “Гиротехнологии, навигация, управление движением и конструирование подвижных объектов”. Сборник докладов. - 2001. - С. 168-173.

8. M.V. Lukyanenko, Y.V. Gogun, S.V. Karpan. Usage of the satellite navigation systems user equipment for the precise time synchronization // The fifth Sino-Russian-Ukrainian Symposium on Space Science and Technology. - 2000. - Р. 422-426.

9. Гогун Ю.В. Вычисление геометрического фактора снижения точности приемника GPS // ІІ Международная научно-техническая конеренция “Гиротехнологии, навигация и управление движением”. Тези доповідей. - 1997. - С. 33-34.

10. Гогун Ю.В., Прохорчук А.В. Решение задачи ориентации объекта с использованием приемника сигналов спутниковой навигационной системы // І Національна науково-технічна конференція “Гіротехнології, навігація та управління рухом”. Тези доповідей. - 1995. - С. 6.

11. Прохорчук А.В., Гогун Ю.В. Интегрированная навигационная система – корректируемый гирокомпас / приемник сигналов спутниковых навигационных систем // І Національна науково-технічна конференція “Гіротехнології, навігація та управління рухом”. Тези доповідей. - 1995. - С. 18.

12. Прохорчук О.В., Гогун Ю.В. Алгоритм підвищення точності курсовизначення коректованого гірокомпаса з використанням хвильового представлення випадкових збурень // І Національна науково-технічна конференція “Гіротехнології, навігація та управління рухом”. Тези доповідей. - 1995. - С. 17.

АНОТАЦІЯ

Гогун Ю.В. Динаміка та похибки інтегрованої навігаційної системи наземного об'єкта.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.03 – гіроскопи та навігаційні системи, НТУУ "КПІ", Київ, 2001.

Розроблено інтегровану навігаційну систему наземного об'єкта, яка призначена для визначення місцеположення і курсу об'єкта і складається з блоку одометричної навігаційної системи і приймача сигналів супутникових навігаційних систем. Вивчено структуру та розроблено алгоритм функціонування інтегрованої навігаційної системи наземного об'єкта з використанням оптимального фільтра Калмана, що дозволяє значно підвищити точність та надійність видачі навігаційних даних при довільному русі об'єкта. Проведено напівнатурне моделювання штатного і нештатного режимів роботи та експериментальне дослідження інтегрованої навігаційної системи, які підтвердили отримані теоретичні результати.

Ключові слова: інтегрована навігаційна система, одометрична навігаційна система, приймач сигналів супутникових навігаційних систем, фільтр Калмана.

АННОТАЦИЯ

Гогун Ю.В. Динамика и погрешности интегрированной навигационной системы наземного объекта.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.03 – гироскопы и навигационные системы, НТУУ "КПИ", Киев, 2001.

В диссертационной работе показана возможность повышения точности и надежности выдачи навигационной информации на борту наземного объекта путем объединения разнотипных навигационных средств в единый комплекс – интегрированную навигационную систему наземного объекта.

Необходимая для удовлетворения современных требований в части навигационного обеспечения интегрированная навигационная система наземного объекта может быть построена на базе типового навигационного оборудования, которое находится на подвижном наземном объекте, – одометрической навигационной системы и приемника сигналов спутниковых навигационных систем.

В ходе исследований изучена структура и разработана математическая модель интегрированной навигационной системы, в основу которой положены уравнения движения гироскопа направления и модель погрешностей одометрической навигационной системы, дополненные моделью возмущений. Составленная математическая модель интегрированной навигационной системы позволяет исследовать динамику и погрешности системы при произвольном движении объекта.

Разработанный алгоритм функционирования интегрированной навигационной системы базируется на использовании оптимального фильтра Калмана, что вместе с разделением каналов оценивания погрешностей системы и решения навигационной задачи обеспечивает простоту структуры навигационной системы, гибкость и надежность ее работы. Рассмотрены штатный (в условиях стабильной выдачи приемником спутниковых навигационных систем достоверных навигационных данных) и нештатный (автономный) режимы работы интегрированной навигационной системы.

Анализ полученных формул для исследования чувствительности алгоритмов функционирования интегрированных навигационных систем к неточности задания параметром математической модели показал значительную устойчивость алгоритма функционирования интегрированной навигационной системы наземного объекта.

В работе исследованы свойства основных функциональных элементов интегрированной навигационной системы. Разработка и анализ математической модели ошибок определения углов ориентации объекта с использованием многоантенной аппаратуры пользователя спутниковых навигационных систем показали способность интерферометрического приемника сигналов спутниковых навигационных систем измерять углы ориентации объекта с высокой точностью. Полученная математическая модель ошибок системы аналитического определения курса позволила сделать вывод о возможности разработки наземного курсоуказателя на базе датчика угловой скорости и затруднительность использования системы аналитического курсоопределения на борту подвижного объекта.

Проведено полунатурное моделирование штатного и нештатного режимов работы системы, а также экспериментальное исследование макета интегрированной навигационной системы наземного объекта, которые подтвердили высокую точность и надежность выдачи навигационной информации на борту объекта.

Ключевые слова: интегрированная навигационная система, одометрическая навигационная система, приемник сигналов спутниковых навигационных систем, фильтр Калмана.

SUMMARY

Gogun Y.V. Dynamics and errors of the land object integrated navigation system.

Thesis for obtaining of a philosophy doctor in engineering degree on specialty 05.11.03 –gyroscopes and navigation systems, NTUU "KPI", Kyiv, 2001.

The land object integrated navigation system, that is intended for the object position and heading determination and consists of the odometric navigation system module and satellite navigation systems signals receiver, is developed. The structure of a system is researched and the algorithm of the land object integrated navigation system functioning on the base of the optimal Kalman filter, that provides significant increase of the accuracy and reliability of the navigation data generation at object any movement, is developed. The half-natural simulation of the regular and supernumerary operating modes and experimental research of the integrated navigation system mock-up are carried out, that proved obtained theoretical results.

Key words: integrated navigation system, odometric navigation system, Kalman filter.