НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

"КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ"

Корольов Володимир Миколайович

УДК 531.383

РОЗРОБКА ТА ПІДВИЩЕННЯ ТОЧНОСТІ НАВІГАЦІЙНИХ КОМПЛЕКСІВ СИСТЕМИ ЗОВНІШНОГО ЦІЛЕВКАЗУВАННЯ НАЗЕМНИХ РУХОМИХ ОБ’ЄКТІВ

Спеціальність 05.11.03 - "Гіроскопи і навігаційні системи"

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Київ – 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі приладів та систем керування літальними апаратами Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут" Міністерства освіти і науки України та в Львівському науково-дослідному радіотехнічному інституті Міністерства промислової політики України.

Науковий консультант | Доктор технічних наук, професор, Лауреат Державних премій СРСР та України, Заслужений діяч науки і техніки,

Збруцький Олександр Васильович

Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, завідувач кафедри приладів і систем керування літальними апаратами, декан факультету авіаційних та космічних систем.

Офіційні опоненти: | Доктор технічних наук, професор,

Довгополий Анатолій Степанович,

Державна Корпорація “Антонов”, радник Генерального директора;

Доктор технічних наук, професор

Карачун Володимир Володимирович,

Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, зав. кафедри біотехніки та інженерії;

Доктор технічних наук,

Чіковані Валерій Валеріанович,

Національний авіаційний університет, професор кафедри систем управління.

Провідна установа | Казенне підприємство “Центральне конструкторське бюро “Арсенал”, Національне Космічне Агентство України, м. Київ.

Захист відбудеться “09червня 2006 р. о 14.30 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. 1, ауд. 163.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, м. Київ, проспект Перемоги, 37.

Автореферат розісланий " 28 " квітня 2006р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

Д26.002.07, д.т.н., професор | Л.М. Рижков

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Сучасні танки – це бойові машини, яким притаманні рухливість, вогнева могутність, захищеність від зовнішніх уражаючих факторів, що забезпечують їм можливість вирішувати штатні задачі по знищенню противника в усіх видах бойової діяльності. Історія розвитку бронетанкової техніки – це вдосконалення вогневої могутності, рухливості та захищеності окремого танка. З появою нових засобів його ураження одиночний танк стає дуже вразливою ціллю. Для протитанкових засобів противника основним видом боротьби з танками є далекий бій, коли вогонь на ураження відкривається з дальності понад 3 км.

Танки не здатні успішно боротися з протитанковими засобами противника на віддалях понад 3 км з наступних причин:

1.

2.

3.

4.

Всі ці недоліки приводять до того, що при видимій небезпечній цілі командир не може організувати вогонь декількох танків у заданий час з місця (потрібні витраті часу понад 3 хвилини) і принципово не може під час руху.

Військові фахівці вважають, що маневр вогнем (зосередження вогню декількох бойових машин по однієї цілі) є перспективним шляхом підвищення ефективності дій танкового підрозділу. Як свідчать дослідження, проведені у військовій академії Бронетанкових військ (Росія), в основі маневру вогнем підрозділу є зовнішнє цілевказування, коли інформація о цілі передається з командирської машини на підлеглу. Тому одним з перспективних напрямків розвитку бронетанкової техніки військові спеціалісти вважають створення системи управління цілевказуванням наземними бойовими машинами підрозділу. Серед способів цілевказування, що застосовуються у військах, найбільш перспективним вважають координатний спосіб. У цьому випадку усі машини, яки приймають участь в рішенні задачі, оснащуються системами навігації. На командирської машині визначаються координати цілі і передаються на підлеглу, де визначається напрямок, під яким слід виявляти ціль. Сучасний рівень розвитку протитанкових засобів ураження є такий, що ціль повинна бути нейтралізованою через 20 с після виявлення. Це накладає жорсткі часові обмеження на цілевказування в цілому, як і на окремі його етапи. Зокрема виявлення цілі з підлеглої машини повинно бути здійснено за проміжок часу порядку 1 с. Його тривалість залежить від багатьох причин, але головна з них – наскільки далеко від перехрестя прицілу з’явиться ціль після розташування його в напряму цілі. Дослідження, які проведено у військовій академії Бронетанкових військ показали, що помилка цілевказування не повинна перевищувати кут в 12 млрад. Похибка цілевказування у власну чергу сама залежить від багатьох причин, головною з яких є похибки визначення місцеположення машин. Таким чином, забезпечення навігаційною інформацією (навігаційне забезпечення) необхідної точності стає одним з вирішальних чинників в організації системи управління цілевказуванням. Військові фахівці провідних країн розглядають навігаційне забезпечення як один з найважливіших видів бойового забезпечення, а навігаційну апаратуру – як одну з головних складових системи управління цілевказуванням.

Виходячи з досвіду сучасних локальних конфліктів, підрозділи Сухопутних військ змушені вирішувати завдання з широким застосуванням маневру як по фронту, так і в глибину, що підвищує питому вагу систем управління. Пресування, відкриті сутички, спеціальні операції відбуваються вночі або в умовах обмеженої видимості, як правило, на незнайомій території. У звязку з цим різко зростає роль та значення управління підрозділами з метою забезпечення своєчасного і точного вирішення бойових завдань. Під час їх виконання у складі підрозділів командири мають володіти інформацією про розташування своїх сил та сил противника у будь-який момент часу.

З викладеного вище витікає, що розробка уніфікованого навігаційного комплексу для об’єктів бронетанкової техніки в інтересах системи управління цілевказуванням підрозділу, є актуальною проблемою, яка досі не вирішена. Особливо актуальним розв’язання цієї проблеми є в теперішній час, коли Україна в жорсткій конкурентній боротьбі відстоює своє місце на міжнародних ринках бронетанкових озброєнь.

Зв’язок з науковими програмами, планами, темами. Робота зв’язана з планами робіт КП ХКБМ ім. Морозова, Львівського науково-дослідного радіотехнічного інституту по створенню навігаційних комплексів для системи управління цілевказуванням бронетанкової техніки (“ДКР “КОЛЬЕ”: “Розробка інформаційно-керуючої системи (ТИУС)”(договір №369/1776-ХКБМ від 04.09.1997р.)”); Військового інституту при НУ "Львівська політехніка" та Науково-аналітичного центру критичних технологій навігаційного приладобудування НТУУ "КПІ".

Мета і задачі роботи. Метою роботи є розробка навігаційного комплексу системи цілевказування танкового підрозділу в сучасних умовах ведення бою для підвищення оперативності цілевказування та забезпечення необхідної точності визначення напрямку на ціль, розробка структури системи цілевказування в танковому підрозділі для підвищення оперативності рішення бойових задач.

Для досягнення цієї мети в дисертаційної роботі вирішені наступні взаємозв’язані проблеми.

1. В розробці принципів побудови:

- розроблені на основі аналізу сучасних умов ведення бою вимоги до навігаційного комплексу системи цілевказування в танковому підрозділі для забезпечення мінімального часу підготовки на виконання вогневої задачі;

- розроблена та проаналізована структура інтегрованого навігаційного комплексу, апаратна реалізація його функційних блоків в умовах обмежень експлуатації спеціальної наземної техніки.

2. В розробці теорії:

- розроблено математичну модель похибок зовнішнього цілевказування досліджено вплив на його точність у танковому підрозділі похибок визначення поточних координат машин, вимірів дальності, кутів візування та піднесення цілі в статиці та динаміці та визначено домінуючі серед них, запропоновано шляхи їх мінімізації;

- розроблено та досліджено алгоритм комплексованої обробки навігаційної інформації, яка надходить з декількох, різних за власною фізичною природою систем навігації, на базі методу максимальної правдоподібності, що дозволяє його найбільш просту реалізацію в жорстких умовах застосування бронетанкової техніки. Алгоритм застосовано для випадку одометричної системи навігації та апаратури користувача супутникових навігаційних систем;

- запропоновано структуру уніфікованого навігаційного комплексу системи управління цілевказуванням, який забезпечує вимоги по точності зовнішнього цілевказування.

3. В плані експериментальної перевірки технічних запропонованих рішень:

- проаналізовано та підтверджено шляхом математичного, напівнатурного моделювання, а також експериментів на полігоні правильність теоретичних висновків та ефективність розробленого навігаційного комплексу;

- проведено комплекс організаційно-технічних заходів по впровадженню розроблених підходів та навігаційного комплексу, які забезпечують вимоги по точності зовнішнього цілевказування у танковому підрозділі.

Об’єктом досліджень виступає навігаційний комплекс системи управління цілевказуванням наземних рухомих об’єктів.

Предметом досліджень є методи та засоби створення уніфікованого навігаційного комплексу системи управління цілевказуванням, що реалізують комплексовану обробку навігаційної інформації.

Методи дослідження. Для розв’язання цих задач застосований апарат математичного аналізу, теорії ймовірностей та математичної статистики, теорії випадкових процесів, теорії управління, вищої алгебри та диференційних рівнянь, обчислювальних методів.

Наукова новизна отриманих результатів. В результаті проведених досліджень були отримані наступні нові результати.

В науковому плані:

- вперше розроблено інтегрований навігаційний комплекс системи цілевказування в танковому підрозділі для сучасних умов ведення бою, який включає інерціальну навігаційну систему, апаратуру користувача супутникових навігаційних систем, одометричні та доплерівськи вимірювачі швидкості та побудований на алгоритмах комплексованої обробки навігаційної інформації. Комплекс забезпечує точність визначення місцеположення танка в межах 25-30 м, що гарантовано забезпечує точність зовнішнього цілевказування у межах 12 млрад;

- розроблено математичну модель похибок зовнішнього цілевказування, яка враховує сукупний вплив факторів, що знижують його точність;

- запропоновано метод оцінки в статиці та динаміці, впливу на точність зовнішнього цілевказування танковому підрозділі похибок: 1) визначення поточних координат машин, що приймають участь в вирішенні задачі, 2) вимірювання дальності, 3) кутів візування та піднесення цілі, який дозволяє визначити домінуючу серед них;

- запропоновано метод оцінки необхідної точності визначення координат навігаційним комплексом танка при заданих вимогах до зовнішньої цілевказування координатним способом в підрозділі танків та навпаки;

- розроблено алгоритм комплексованої обробки навігаційної інформації, яка надходить з декількох, різних за власною природою навігаційних систем, в тому числі від одометричної системи навігації та апаратури користувача супутникових навігаційних систем, на базі метода максимальної правдоподібності, що забезпечує визначення навігаційної інформації з заданою точністю в умовах жорстких обмежень застосування на об’єктах бронетанкової техніки;

- запропоновано модель фільтра Калмана при розкладанні фазового вектора динамічної системи по власним векторам перехідної матриці, яка відрізняється тім, що добуток перехідної матриці на фазовий вектор замінюється добутком фазового вектора на скаляр, що дозволило скоротити обсяг обчислень на 8

В прикладному плані:

- вперше створений уніфікований навігаційний комплекс для наземних бойових об’єктів, у тому числі і для танків;

- створену структуру системи зовнішнього цілевказування танкового підрозділу, яка забезпечує вимоги цілевказування по точності.

Наукові результати отримано автором особисто і є основою рішення поставленої наукової проблеми.

Особистий внесок здобувача. Всі наукові результати, викладені у дисертації, отримано особисто автором, що підтверджується одноосібними публікаціями з ключових аспектів проблеми. Із списку наведених у дисертації опублікованих праць, виконаних у співавторстві, здобувачу належать математичні моделі, алгоритми обробки матеріалів моделювання, аналіз результатів.

Практичне значення одержаних результатів полягає в:

- створенні методу оцінки впливу похибок визначення поточних координат машин, вимірювання дальності до цілі, її кутів піднесення та візування на похибку зовнішнього цілевказування;

- використанні алгоритму комплексованої обробки навігаційної інформації, що надходить з декількох систем навігації, у тому числі від одометричної та апаратури користувача радіонавігаційних систем на базі метода максимальної правдоподібності для підвищення точності визначення координат машин;

- створенні уніфікованого навігаційного комплексу для наземних бойових об’єктів та структури системи цілевказування у танковому підрозділі.

Результати роботи застосовано в виробах “Брошь”, “Керн“, “Оболонь А” та “ТИУС-Н” Львівського науково-дослідного радіотехнічного інституту, м. Львів, в танку “Аль-Халид”, а також в дослідних зразках танку “Ятаган” Харківського конструкторського бюро машинобудування ім. О.О. Морозова, м. Харків. Апаратуру навігаційного забезпечення “ТИУС-Н” в складі вітчизняного танку “Оплот” прийнято на озброєння армії України.

Отримані результати дозволили забезпечити необхідні точності визначення навігаційних параметрів та вимоги по точності з боку зовнішнього цілевказування. Методика оцінки впливу складових помилок на точність зовнішньої цілевказування дозволяє визначити точністні вимоги до систем навігації при заданій точності зовнішнього цілевказування, та навпаки.

Достовірність результатів роботи підтверджується математичним та напівнатурним моделюванням, експериментами на полігоні з зразками нової техніки.

Апробація результатів дисертації. Основні наукові положення дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на науково-технічних конференціях та симпозіумах: на Міжнародній науково-технічній конференції "Гіротехнології, навігація та управління рухом", Київ, 1997, 2001, 2005 рр., на Міжнародній науково-технічній конференції "Сучасні досягнення геодезичної науки та виробництва", Львів-Яворів, 2000, 2001, 2002, 2003, 2004, 2005р.р., на V-й Міжнародній науково-технічній конференції “Кадастр, фотограмметрія, геоінформатика – сучасні технології та перспективи розвитку”, Кальварія Зебжидовська, Польща, 2005р., на Міжнародному науково-технічному симпозіумі "Геоінформацийний моніторинг навколишнього середовища – GPS; GIS-технології", Алушта, Крим, 2000, 2001, 2002, 2003, 2005 рр., на науково-технічній конференції "Приладобудування 2002: підсумки і перспективи", Київ, 2002р.

Публікації. Основні результати роботи опубліковані в 23 статтях, з них 20 – у виданнях, які входять в перелік, затверджений ВАК, та 15 доповідях і тезах доповідей на конференціях. За результатами роботи отримано патент на винахід.

Структура та об’єм дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, 5 розділів та заключення і викладена на 269 стор. В роботі приведено 33 графіка і схеми та 20 таблиць. Список використаних джерел містить 190 назв.

ОСНОВНОЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовується актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовані мета та основні задачі, що вирішуються, приводяться основні положення, що виносяться на захист, описується новизна, практичне значення та реалізація результатів роботи.

В першому розділі виконано аналіз проблеми розробки системи навігації, сформовані основні напрямки досліджень.

Показано, що одиночні танки при сучасному рівні розвитку протитанкових засобів є дуже вразливими цілями. Одиночній танк в сучасних умовах є нездатний для боротьби з протитанковими засобами противника. Для того, щоб підвищити ймовірність ураження протитанкових засобів противника, необхідно здійснювати маневр вогнем підрозділу бойових машин. Тому створення системи управління цілевказуванням бойовими машинами підрозділу є одним з перспективних напрямків подальшого розвитку бронетанкової техніки. Для керування боєм командирові необхідна інформація про місцеположення бойових одиниць власних та противника в будь-якій момент часу, тому наявність навігаційної інформації є важливим фактором в організації системи управління цілевказуванням. Об’єкт, що оснащений системою управління цілевказуванням, у складі підрозділу повинен забезпечувати: збір та обробку інформації, у тому числі і від зовнішніх джерел, передачу необхідної інформації як всередині, так і назовні, прийом і обробку цієї інформації у споживача, управління об’єктами підрозділу з будь-якої машини по відповідних директивах оператора, захист інформаційних потоків від несанкціонованого доступу, необмежений час роботи тощо. Для цього система управління цілевказуванням має вирішувати наступні задачі: визначення поточних навігаційних параметрів (х, y, , H, V, t), ведення календаря та служби часу, визначення параметрів пункту призначення (напрям і дальність до нього, час прибуття та інш.), збір інформації про місцеположення підлеглих за директивами командира, збір інформації про боєготовність машин підрозділу, зовнішнього цілевказування, прийом і передача телетексту, прийом повідомлень з радіолінії, їх обробка, обробка і відправка в радіолінію командних повідомлень, та повідомлень-відповідей. Серед усіх задач, що вирішуються системою управління цілевказуванням, вимоги по точності при рішенні задачі зовнішнього цілевказування найбільш жорсткі. Тому в подальшому будемо орієнтуватись на їх забезпечення, що автоматично задовольнить вимоги, які висуваються іншими задачами.

Запропоновано технологію зовнішнього цілевказування з використанням навігаційної інформації. Визначення місцеположення цілей може здійснюватись двома способами – контрастним та координатним.

Контрастний спосіб базується на виділені цілі трасуючими кулями і снарядами, розривами снарядів, снарядами з кольоровими димами, підсвітлювання лазером. Перші три різновидності використовуються, наприклад, на серійних танках. Їх недоліки очевидні: відсутня скритність, необхідна наявність прямої видимості, значне зменшення ефективності в умовах запиленості і т.п.

При координатному способі здійснюється визначення координат (хц, уц) цілі (в Сухопутних військах прийнята система координат SK-42 в проекції Гаусса-Крюгера). Командир цілевказуванняуючої машини здійснює вимірювання дальності Дц і кутів візування (віз) та піднесення цілі. За цими даними обчислюються координати хц, уц за співвідношеннями:

, | (1.1)

де _ | координати об’єкту, що дає цілевказування, ц _кут за годинниковою стрілкою між напрямом на північ і на ціль з об’єкту, що робить цілевказування.

Координати цілі по командної радіолінії передаються на машину підлеглого, на якому, використовуючи координати хоп, уоп об’єкту, що приймає цілевказування, розраховуємо дальність Дцп від нього до цілі за співвідношенням

. | (1.2)

Кут цп між вертикальною лінією сітки топографічної карти та напряму на ціль з підлеглого танка розраховуємо за формулою

. | (1.3)

В загальному випадку на підлеглої машині приціл займає довільне положення відносно напрямку на ціль. Тоді кут довороту прицільного приладу на ціль розраховуємо за формулою

, | (1.4)

де | Шб/к_ | кут повороту прицільного приладу відносно корпуса об’єкта, що приймає цілевказування, оп _його поточний дирекційний кут.

Значення Дцп і вводяться в приводи управління і відбувається поворот гармати та прицільного пристрою у бік цілі.

Проаналізовано джерела похибок зовнішнього цілевказування. При відсутності похибок в визначенні величин хц, уц, , хоп, уоп оп, Шб/к , враховуючи швидкість об’єктів та цілі нульовими, при довороті на кут (див. співвідн. 1.4) ціль буде знаходитись на вертикальній лінії, що проходить через центральну марку прицілу, а розрахована бортовою ЕОМ дальність буде відповідати реальній (при =0), див. рис. 1. В дійсності же, при початковому орієнтуванні машин, а також в процесі їх руху зявляються похибки в визначенні координат та дирекційних кутів наземного рухомого об’єкта в підрозділі, які мають випадковий характер і накопичуються з часом. Це призводить до того, що інформаційний вектор, який видається керуючим об’єктом підлеглому, містить у собі похибки. У свою чергу на об’єкті, що приймає зовнішнє цілевказування, власні координати визначаються також з похибками. Суперпозиція цих похибок дає похибки в визначенні величин Дцп, цп на підлеглої машині. В силу сказаного, ціль, скоріше всього, буде знаходитись на периферії поля зору прицілу. Таким чином, виникає задача знаходження оптимальних розмірів кутового огляду, у якому буде знаходитися ціль, який би забезпечив найменший час пошуку цілі. На рис. . проілюстровано виникнення похибки у визначенні кута довороту на ціль і дальності до неї. Тут через позначена помилка у куті довороту за рахунок похибок при відпрацюванні прицільним приладом заданого напрямку, - похибка в визначенні цп, ц - істинний напрямок на ціль. Таким чином, похибка зовнішнього цілевказування обумовлена багатьма причинами, такими, як, похибки вимірювання дальності до цілі, помилки початкового орієнтування, поточного визначення місцеположення і дирекційних кутів машин, що приймають участь в рішенні задачі зовнішнього цілевказування, помилки вимірювання кутів візування, помилки визначення напряму гармати та прицільного приладу, помилки відробки кута на ціль прицільним приладом та інш.

Розроблено критерій по точності для задачі зовнішнього цілевказування. В дослідженнях, які проведені Вассендіним В.Н. в військової академії Бронетанкових військ (Росія) показано, що для цілей типу протитанкового керованого реактивного набою, час пошуку цілі не повинен перевищувати 1 с. В цьому випадку при пошуку через прилад з однократним збільшенням необхідно, щоб похибка цілевказування не перевищувала 3 млрад, а для приладу з збільшенням 2.7 – 4.8 млрад. При 12 збільшенні похибка цілевказування не повинна перевищувати 10-12 млрад.

Проаналізовано вимоги до характеристик навігаційної інформації, що висуває задача цілевказування. Високоманеврений характер бойових дій та різкі зміни обстановки вимагають від командирів всіх ланок (у тому числі батальйону і роти) неперервного, твердого, гнучкого та прихованого управління військами. Командир повинен постійно знати обстановку, швидко приймати рішення і своєчасно ставити задачі підлеглим. Однією з головних умов успішного управління військами як в процесі підготовки, так і під час бойових дій, є наявність повної та точної навігаційної інформації про тактичну обстановку. Вона повинна включати в себе відомості про місцеположення цілей, місцеположення та напрями руху підрозділів і окремих машин. В умовах ускладненого орієнтування на місцевості (відсутність орієнтирів, ніч, туман і та інш.) інформацію про місцеположення наземного рухомого об’єкту отримують за допомогою систем навігації, які встановлюють на кожній сучасній бойовій машині. Навігаційна інформація повинна бути неперервною і мати точність, яка забезпечує визначення напряму на ціль з підлеглої машини з точністю 10-12 млрад.

Проаналізовано напрямки робіт та відомих практичних досліджень по темі дисертації. Дослідники та розробники систем навігації наземних рухомих об’єктів завжди намагалися, знизити помилки визначення місцеположення, вдосконалюючи апаратуру, а з розвитком мікропроцесорної техніки, використовуючи і алгоритмічні засоби для забезпечення необхідної точності цілевказування. Крім того, великий інтерес дослідників привертають і самі методи та способи цілевказування, які дозволяють зменшити часові витрати та підвищити його точність. В даній області проводяться роботи багатьма вченими. В науково дослідному інституті “Сігнал” м. Ковров (Росія) працюють відомі фахівці Сдвіжков А.Н., Філіппов С.І., Юрін Ю.І. Вони зробили значний внесок в розробку та прийняття на озброєння армії колишнього СРСР декілька поколінь танкової навігаційної апаратури (ТНА) одометричного типу: ТНА-2 (“Сетка”) – вирішує першу навігаційну задачу, а саме визначає поточні координати машини та її дирекцій ний кут; ТНА-3 (“Квадрат”) – вирішує додатково другу навігаційну задачу, а саме визначає поточні дальність до пункту призначення та напрямок на нього; ТНА-4 –додатково до тих, що згадані, вирішує третю навігаційну задачу, а саме визначає координати цілі. Цім системам притаманні всі недоліки, що характерні для одометричних систем. В ролі датчика кутових переміщень тут використовується курсова система типу “Маяк-2”, для якого власний дрейф осі гіроскопа складає величину порядку 23 млрад/год. В ТНА-4 застосована система автопідстроювання, яка на стоянці компенсує власний дрейф осі гіроскопа, але при поновленні руху машини він знов починає накопичуватись, що приводить до зростання похибки визначення місцеположення об’єкта. Наступне покоління навігаційної апаратури, що створена там же – навігаційна система “Гамма”. Тут застосовано апаратуру користувача супутникових навігаційних систем та гіроскопічний датчик з поліпшеними характеристиками, однак ціна його дуже велика. Його застосування для оснащення наземної спеціальної техніки, призводить до того, що вона стає не конкурентно здатною на мирових ринках. Апаратура користувача супутникових навігаційних систем використовується в системі “Гамма” для корекції одометричноі апаратури методом заміщення, що не забезпечує неперервності навігаційної інформації. Це унеможливлює її застосовування в системі управління цілевказуванням підрозділу бронетанкової техніки. В військової академії Бронетанкових військ (Росія) ряд вчених, а саме: Чайка Г.С., проф. Літвіненко В.В., Філонов В.В. та інш. працюють над питаннями військово-наукового обґрунтування вимог до вогневих комплексів об’єктів Бронетанкової техніки та пошуком шляхів підвищення їх ефективності. Розробляються способи цілевказування та досліджуються шляхи підвищення їх точності, швидкодії та ефективності. Як результат, визначаються переліки задач, рішення яких повинна забезпечити перспективна апаратура, обґрунтовуються вимоги по точності їх вирішення. Професор Жильцов Є.І. працює над військово-тактичними питаннями взаємодії машин в підрозділі та підрозділів у складі більш крупних з’єднань. В його дослідженнях обґрунтована необхідність організації взаємодії спеціальних наземних машин в складі підрозділу, їх просторово-часової прив’язки з необхідною точністю. Для цього потрібен навігаційний комплекс, що забезпечує визначення неперервної навігаційної інформації достатньої точності. Але, проблема розробки навігаційного комплексу для забезпечення реалізації цих вимог для такого класу техніки не вирішена. В Казенному Підприємстві Харківське конструкторське бюро машинобудування, м. Харків над питаннями початкової прив’язки спеціальних наземних машин працює Сафронов П.К. Аналіз джерел похибок, яки при цьому виникають та їх кількісне порівняння не здійснюється. Відома розробка навігаційної системи для наземних спеціальних машин “G-1” німецької фірми “LITEF”, яка містить у собі одометр, волоконно-оптичну гіроскопічну систему, та апаратуру користувача супутникової навігаційної системи. ЇЇ точність визначення кутових величин та поточних координат машини не задовольняють вимогам задачі цілевказування і вона не в змозі витримувати жорстокі вимоги в умовах застосування спеціальної наземної техніки. В НТУУ “КПІ” на факультеті “Авіаційних та космічних систем” ведуться дослідження інтегрованих навігаційних систем для широкого кола рухомих об’єктів, зокрема і наземних. Досліджена інтегрована навігаційна система для наземного об’єкта, в якої застосовані грубі, але дешеві датчики, яка забезпечує при цьому достатньо високу точність. Однак, точність визначення навігаційних параметрів недостатня, щоб задовольнити вимоги задачі цілевказування. Крім того апаратура не в змозі забезпечити виконання жорстких вимог в умовах обмежень застосування спеціальної наземної техніки.

Згадані роботи, проводились та проводяться незалежно одна від одної, в інтересах різних аспектів застосування наземних рухомих об’єктів. В межах жодної з них не проводилось аналізу вимог до навігаційної апаратури, комплексної оцінки факторів, що визначають її тактико-технічні характеристики в інтересах організації системи управління цілевказуванням машинами підрозділу спеціальної наземної техніки.

Аналіз сучасного стану та світових тенденцій розвитку систем навігації для наземних рухомих об’єктів показав, що одометричні навігаційні системи займають серед них лідируюче положення. Продовжуються інтенсивні дослідження в галузі комплексних навігаційних систем.

З аналізу невирішених питань сформульовано мету та задачі дисертації.

В другому розділі розглядаються загальні принципи досліджень, що проводяться. Аналізуються тактико-технічні вимоги до характеристик навігаційної інформації та систем навігації наземних рухомих об’єктів при їх сучасному бойовому використанні. Навігаційна інформація, що надходить з одометричних систем навігації, має достатню миттєву точність, але містить похибку визначення місцеположення, що накопичується протягом часу. Тому одометричні системи навігації не можуть використовуватись як основні. Навігаційна інформація, що надходить з апаратури користувача супутникових радіонавігаційних систем не змінює своєї точності протягом часу спостережень, але вона дискретна, можливі втрати інформації через затінення, селекцію доступу тощо. Апаратура користувача супутникових радіонавігаційних систем також не може використовуватись як основна. Комплексування одометричної системи навігації і апаратури користувача супутникових радіонавігаційних систем на базі алгоритмів фільтрації дозволяє отримати оптимальні оцінки навігаційних параметрів, забезпечити безперервність, однакову точність протягом всього часу роботі системи навігації, надійність і достовірність навігаційної інформації.

Розроблено узагальнену математичну модель похибок зовнішнього цілевказування та запропоновано метод оцінки відносного вкладу в похибку зовнішнього цілевказування похибок визначення місцеположення машин, яки приймають участь в рішенні задачі, похибок вимірювання дальності до цілі, кутів візування та піднесення . Для розробки моделі похибки цілевказування координатним методом, яка обумовлена похибками визначення місцеположення наземного рухомого об’єкта, вимірювання дальності, кутів візування і піднесення цілі використана функція випадкових змінних q та залежність її математичного очікування мq та дисперсії як функції дисперсій цих змінних.

, , | (2.1)

де | х1, х2, … ,хn,- випадкові величини, .

При умові статистичної незалежності похибок в величинах {х1, х2, … ,хn} буде мати місце співвідношення |

(2.2)

При видачі зовнішнього цілевказування на підлеглий об’єкт надходить інформаційний вектор, що містить координати цілі хц, уц. Маючи власні координати хоп, уоп, бортова електронно-обчислювальна машина підлеглої машини за співвідношеннях (1.3) розраховує цп.

Величини хц, уц, хоп, уоп – містять похибки, що носять випадковий характер. Для нашого випадку дисперсія цп. визначається з залежності

При цьому передбачається, що величини хц, уц, хоп, уоп статистично незалежні. Справедливість цього витікає з того, що хоп, уоп визначаються на підлеглому обєкті, а хц, уц, – на командирському, причому кожен з них орієнтирований незалежно один від одного.

Отримані вирази для вагових коефіцієнтів, що входять до :

Для нерухомих об’єкта та цілі, отримаємо

Графіки залежності від Дц складових співвідношення (2.5) наведені на ріс. 3.

З аналізу графіків витікає висновок, що основний внесок в формування величини похибки визначення координат об’єкта, оскільки вони на порядок перевищують інші. Таким чином, похибки визначення місцеположення машин дають домінуючий вклад в помилку цілевказування. Тоді приймаючи 2r = max(2Хтп, 2Утп), маємо: |

(2.6)

Останнє співвідношення дозволяє отримати обмеження на похибки системи навігації при заданих точністних вимогах зовнішнього цілевказування, та навпаки. Показано, що для забезпечення точності цілевказування в межах 10-12 млрад, необхідно щоб похибка визначення місцеположення наземного рухомого об’єкту не перевищувала 40-50 м.

Графік залежності (2.6) в осях (2r, 2цп) наведений на рис. . Співвідношення (2.6) дозволяє визначити зони розташування цілей відносно машини командира, для яких забезпечується рівноточність визначення величини цп. Лінії, що обмежують зони рівноточності для одного з типових розташувань машин командира та підлеглих показані на рис. 5. Криві близькі до кола, що означає, що похибки координатного способу цілевказування не залежать від взаємного розташування машин командира та підлеглого.

При взаємному русі об’єкта та цілі достатньо розглянути випадок коли Vнро=0, . Вимірюємо з проміжком часу дальності та кути між напрямом на північ та ціль і кути піднесення цілі 1, 2 з машини, що дає цілевказування. Нехай отримаємо {Д1, Д2, 1, 2, 1, 2} відповідно.

На машині, що приймає зовнішнє цілевказування на момент прийому tп, який відстоїть від моменту виміру tв величин Д2, 2 на 1 = tп - tв, цп розраховується за співвідношенням

де | ут, хт– | координати командирської машини на момент tв;

уоп, хоп– | координати підлеглої машини на момент tп.

Для після відповідних перетворень отримане значення

де позначено | , .

Зроблено оцінку додаткового члена в коефіцієнті перед :

Відзначимо той факт, що величина - має порядок 3 с, 1 - 10-2 с, - 10-3 рад. навіть при швидкості цілі 20-30 м/с у напрямку, що є перпендикулярним лучу зору на неї. Приймаючи до уваги оцінку (2.9), можна стверджувати, що внесок додаткового члена в коефіцієнт перед величиною не позначиться на його поводженні. Таким чином, висновки, що зроблені для статичного випадку, будуть мати місце і для динамічного.

Зроблено висновок, що помилки визначення місцеположення наземного рухомого об’єкта є основним джерелом виникнення похибок при визначенні кута на ціль з підлеглої машини, що приймає участь в вирішенні задачі зовнішнього цілевказування. Для забезпечення вимог по точності зовнішнього цілевказування необхідно розробити систему навігації, яка визначає поточні координати наземного рухомого об’єкту з точністю 45-50 м.

Третій розділ присвячений розробці алгоритмів комплексованої обробки навігаційної інформації, що задовольняють вимогам по точності при вирішенні задач системи управління цілевказуванням та досліджені можливості зменшення похибок визначення місцеположення наземних рухомих об’єктів .

Показано, що комплексна обробка навігаційної інформації повинна проводитись у два етапи. На першому повинно бути проведено компенсацію систематичних складових, а на другому фільтрацію випадкових складових. Розглядається комплексна навігаційна система, в якої в якості складових використовуються одометрична система навігації та апаратура користувача СРНС. Для компенсації систематичної складової похибки визначення місцеположення за допомогою апаратури користувача СРНС застосовується диференційний або псевдо диференційний режими. Це дозволяє зняти значну частину систематичної складової похибки визначення місцеположення наземних рухомих об’єктів. Але випадкова складова залишається.

Для компенсації систематичної складової похибки визначення місцеположення за допомогою одометричної компоненти запропоновано декілька методів.

Запропоновано метод спільній обробці інформації, що надходить з курсової та шляхової підсистем автономної системи навігації. Компенсація певної частини систематичної складової реалізується за рахунок уточнення значення шляхової швидкості та часткового зняття накопичення помилки у дирекційному куті, що виникає із-за власного дрейфу ГКП. Для цього для двох послідовних значень часу tі та ti+1 визначаються значення дирекційного кута і та і+1 відповідно, і створюється величина = і+1 - і. Одночасно з датчиків швидкості, яки запропоновано встановлювати по обох бортах машини, визначається значення швидкостей лівого Vл та правого Vп бортів та створюється величина V = Vл - Vп.

Можуть виникнути наступні варіанти співвідношення знаків величин V і :

а) V 0, = 0; б) V 0, = 0; в) V = 0, 0; ж) V 0, 0.

г) V 0, 0; д) V 0, 0; е) V 0, 0; | (3.1)

Варіант а). При V 0 швидкість лівого борта менша за Vп, що відповідає повороту наземного рухомого об’єкту ліворуч. Однак, з = 0 витікає, що наземний рухомий об’єкт рухається прямолінійно. Таким чином, правий борт проковзує, значить, значенням шляхової швидкості(Vпут) буде Vл.

Варіант б). Ситуація аналогічна п. а) з тою різницею, що має місце проковзування лівого борта. В цьому випадку значення Vпут = Vп .

Варіант в). При V = 0 маємо, що наземний рухомий об’єкт або покоїться, або рухається прямолінійно. Відхилення від 0 для є у даному випадку відхиленням ГКП.

Варіанти г), д).Співвідношення знаків V і по п.п. г) та д) реалізується, коли є рух наземного рухомого об’єкту праворуч, або ліворуч. При реалізації варіантів в), г), д) |

(3.2)

Реалізація варіантів е), ж) означає, що система є несправна.

Запропоновано для зменшення похибки визначення місцеположення за одометрічною навігаційною системою застосовувати датчик тангажу. При визначенні координат на сучасних наземних рухомих об’єктах використовуються формули: |

(3.3)

де | t – поточний час, – змінна інтегрування, (), V() – поточні значення дирекційного кута та швидкості наземного рухомого об’єкту.

Вони отримані для випадку, коли наземний рухомий об’єкт рухається на площині. В реальній ситуації, як правило, наземний рухомий об’єкт рухається по пересіченій місцевості. Тому хт, ут, що отримані за співвідношеннями (3.3), будуть відрізнятися від істинних. В навігації наземних рухомих об’єктів для врахування мікро- та макрорельєфу місцевості та зціплення рушія з ґрунтом використовується, так званий, коефіцієнт коректури шляху, значення якого є власні для кожного типу шляхового покриття та характеру рельєфу місцевості. Методика його визначення громіздка та потребує багато часу та моторесурсів.

Показано, що для зменшення похибок визначення місцеположення, яки виникають за рахунок пересіченості місцевості, необхідно використовувати співвідношення |

(3.4)

де | ()– | поточне значення кута тангажа наземного рухомого об’єкту.

Для оцінки впливу на похибку визначення місцеположення наземного рухомого об’єкту врахування кута тангажу промодельовано трасу руху функцією вигляду: |

(3.5)

де | А – коефіцієнт, що характеризує опосередкований перепад місцевості за висотою; – коефіцієнт, що характеризує їх опосередковану частоту.

Правомочність такої моделі витікає із характеристик пересіченої місцевості, що наведені у топографічних джерелах.

Математичне моделювання показало, що для слабо, середньо та сильно пересіченої місцевості відносна похибка визначення місцеположення без врахування кута тангажу складає відповідно 0.277.05і 25,77Виходячи з припущення, що слабо, середньо та сильно пересічена місцевість складає відповідно 80 %, 15та 5то середня відносна похибка при використанні формули (3.3) складає 2.57

Запропоновано адаптивний алгоритм компенсації дрейфу гіроскопічного датчика ОНС. Одометричні системи навігації характеризуються великою миттєвою точністю і тим, що з часом накопичуються систематичні помилки, які виникають за рахунок постійного дрейфу гіроскопа. Їх похибки є сумою складових, одна з яких змінюється повільно, а друга є випадковою. Складова, що змінюється повільно, обумовлена систематичним дрейфом гіроскопа. Для її врахування використані наступні співвідношення для обчислення прогнозу похибки по координатним осям ход, уод.: |

(3.6)

(3.7)

де (t)– поточний дирекційний кут наземного рухомого об’єкту, V(t) – поточне значення швидкості НРО, ti – початок часового інтервалу, для якого визначено значення і, поч – помилка початкової виставки, або та, що накопичена к моменту ti, хпоч, упоч – помилка початкової виставки за координатами х, у, і – кутова швидкість відхилення гіроскопа на момент ti, t – поточний час між двома моментами визначення значень кутової швидкості відхилення, – час між двома перерахунками .

В якості координат наземного рухомого об’єкту, що визначаються одометричною системою навігації (), беремо значення: |

(3.8)

Швидкість дрейфу гіроскопа залежить від часу і є нелінійною функцією. При достатньо точному табличному завданні {і} можливо отримати близького збігання оцінок координат з істинним їх значенням. На практиці, як правило, не вдається мати достатньо точного набору {і}, оскільки він є індивідуальний для кожного гіроскопа, а його отримання – процес трудомісткий, якій вимагає спеціального обладнання. Крім того, в процесі експлуатації гіроскопа {і} можуть змінюватись. Слід зауважити, що розрахунок вимагає зупинки машини на 5 - 7 хвилин, що робить часті перерахунки недоцільними. Врахування складової похибки одометричної системи навігації, що повільно змінюється, дозволяє підвищити їх точність на порядок, але не дозволяє зняти випадкову складову.

Показано, що досягнення точностей визначення місцеположення, що забезпечують точності зовнішнього цілевказування, які вимагаються, є проблематичним при використанні тільки автономних систем навігації. Паспортні дані на датчики одометричних систем навігації з врахуванням похибок, що неминучі при цифровій обробці, не дозволяють надіятись на досягнення точності, яка вимагається. Резерв в підвищенні точності приладової навігації на сучасному етапі вичерпаний достатньо повно і скільки-небудь значні успіхи у цьому плані зв’язані з дуже великими матеріальними та