Виды навигационных систем

Однако широкое применение СРНС стало возможным лишь с вводом в эксплуатацию среднеорбитальных  систем второго поколения ГЛОНАСС  и GPS. Разработано значительное число  типов аппаратуры потребителей (АП).

Одновременно растет осознание  необходимости мер и проводятся мероприятия по по­вышению точности, помехоустойчивости АП, обеспечению  непрерывности работы навига­ционных средств в условиях существования  естественных и искусственных помех, маневри­рования воздушных судов (ВС), качки морских судов (МС), затенения  антенн АП и возмож­ного ухудшения  качества навигационных сигналов космических  аппаратов СРНС.

Важнейшим направлением этого  процесса является комплексирование и  совместная обработка информации СРНС с информацией других навигационных  систем и устройств. Этому способствует то обстоятельство, что на многих ПО помимо АП СРНС размещаются и используются такие средства, как инерциальные и инерциально-доплеровские навигацион­ные системы (ИНС и ИДНС), курсо-доплеровские и курсо-воздушные системы счисления, одометрические системы, аппаратура радиотехнических систем ближней (РСБН) и дальней (РСДН) навигации и др. Все воздушные  суда имеют также средства измерения  барометриче­ской и геометрической высоты полета, а МС - эхолоты. На некоторых  ВС помимо этого име­ется банк данных о высоте рельефа местности. В  состав оборудования различных ПО входят также датчики времени (часы).

Объединение (интеграция) оборудования в единый функционально, структурно и кон­структивно взаимосвязанный  навигационный комплекс (НК) позволяет  полнее использовать имеющуюся на борту  ПО избыточность информации, благодаря чему появляется возмож­ность повышения точности, помехоустойчивости, непрерывности и надежности навигацион­ных определений, расширения круга решаемых задач и улучшения качества их выполнения.

Обычно, используются следующие принципы комплексирования:

•   совмещение функций  различных радиотехнических систем, приводящее к появлению многофункциональных  интегрированных комплексов. Пример реализации - разработ­ка многофункциональных  комплексов, которые создаются на базе существующих сис­тем связи, навигации  и опознавания;

•   объединение технических  средств, измеряющих одни и те же или  функционально связан­ные навигационные  параметры, комплексная (совместная) обработка  информации (КОИ) и взаимная информационная поддержка нескольких устройств  или систем НК. Общие идеи методов  комплексной обработки навигационной  информации восходят к К. Гауссу, а  основные ее методы были созданы и  получили дальнейшее развитие в работах  Колмогорова А.Н., Н. Винера, Л. Заде и  Дж. Рагаззини , Р. Калмана, Пугачева B.C., Семенова В.М., Стратоновича Р.Л., Тихонова В.И., Ярлыкова М.С., Крутько П.Д., Жохова И.А., Болнокина В.К. и др.

Естественно, что максимального  выигрыша от комплексирования навигационных  из­мерителей можно достичь, решив  соответствующую задачу синтеза, что  позволяет опреде­лить единую оптимальную  структуру и характеристики системы  комплексирования.

Однако общая сложность  проблемы такова, что такая задача пока практически решается отдельно на уровнях первичной и вторичной  обработки информации, деление на кото­рые по существу является условным. Под первичной обработкой информации (ПОИ) пони­мают поиск, обнаружение, селекцию, преобразование и обработку (в режиме слежения) сиг­налов навигационных  и специальных измерителей с  целью определения соответствующих  радионавигационных параметров. Например, псевдодальности (ПД) и приращения ПД или псевдоскорости (ПС). Под вторичной  обработкой информации (ВОИ) понимают выполняемую в ЭВМ обработку  выходных данных самих измерителей, результаты которой использу­ются  для определения и уточнения  координат и скорости движения, углов  ориентации ПО и источников погрешностей измерителей. Если вычисление параметров движения осуществляется в АП СРНС, то может вводиться термин "предварительная  ВОИ" (ПВОИ). С другой сто­роны, при  глубокой коррекции ИНС иногда используется понятие первичной обработки  сигналов и ее чувствительных элементов.

Комплексирование  навигационных измерений:

●  уточнение углов  ориентации (курса, крена и дифферента), оценку и уточнение параметров калибровки навигационных датчиков, таких, как  дрейфы гироскопов, масштабные коэффициенты, смещения акселерометров и др.;

● обеспечение на этой основе непрерывности навигационных определений  ПО и повышение точности определения  координат, высоты, скорости ПО на всех этапах его дви­жения, в том числе  и при временной неработоспособности  АП в случаях воздействия помех  или энергичных маневров ПО;

●  улучшение характеристик  целостности навигационных определений, т. е.  способности за счет совместной обработки информации автономных средств (особенно ИНС) и СРНС обеспечивать решение задачи бортового автономного  контроля целостности - CAIM или для  авиации - AAIM (Airborne Autonomous Integrity Monitoring), в  дополнение к контролю целостности, осуществляемому в приемнике  СРНС (RAIM);

●  обеспечение за счет более точной информации, полученной в процессе вторичной об­работки, сокращения времени поиска и вхождения  в режим слежения, а также улуч­шение характеристик контуров слежения за кодом, частотой и фазой несущей  частоты, сужение соответствующих  полос пропускания и, как следствие, повышение помехо­защищенности  АП СРНС.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9. Схемы комплексирования радионавигационных и автономных систем

 

В соответствии с простейшим алгоритмом комплексирования предусматривается  использование на выходе НК координат и скорости АП СРНС при ее нормальной работе и информации автономной системы при неработоспособности АП СРНС. Такие алгоритмы ВОИ реализованы на многих ПО, особенно модернизируемых. Аппаратурной основой комплексирования является наличие в НК цифровых вычислителей и стандартных линий информационного обмена. Для ВС такой обмен осуществляется в соответствии со стандартами ГОСТ 18977-79 (с руководящим техническим материалом РТМ 1495-75), ГОСТ 26765.52-87, MIL/STD-1553B и положениями документов ARTNC-743, ARINC-429, RS-232, RS-422.

Оценка погрешностей и  их источников в навигационном фильтре (НФ) строится, как практически общепринято, с применением алгоритмов оптимального последовательного линейного (фильтр Калмана) и нелинейного оценивания (фильтрации) и их модификаций. Важнейшей частью НФ является блок прогнозирования оценок погрешностей на основе моделей ошибок автономных систем. Знание моделей и точность их описания будут определять точность прогнозирования оценок погрешностей, а с ней и точность определения навигационных параметров в автономном режиме.

Остановимся более  подробно на применении методов оптимальной  последовательной фильтрации (ОПФ), как  частного случая МТОНО, которые используются и в других схемах комплексирования.

Отметим, что при  реализации алгоритмов ВОИ возникает  потребность в экономии вычислительных ресурсов с одной стороны и в обеспечении устойчивости расчетов с другой. В интересах решения первой задачи прибегают к построению каскадных и федеративных фильтров.

Схема рис. 1.8 дает представление  и о так называемой слабосвязанной схеме комплексирования при реализации связи в виде пунктирной линии  от ИНС к АП СРНС, которая означает передачу приемнику информации ИНС  для обеспечения более быстрого поиска и вхождения в режим  слежения. При этом также могут  быть реализованы управляющие воздействия поступающие из навигационного фильтра в саму ИНС (внешний контур) для коррекции погрешностей ориентации и ошибок инерциальных датчиков.

Схема рис. 1.8 дает представление  о сильносвязанной схеме комплексирования, когда спутниково-инерциальная система  представляет собой единую аппаратуру, состоящую из трех модулей (приемник СРНС, модуль чувствительных элементов  ИНС и модуль вычислителя).

В вычислителе реализуются  как основные алгоритмы БИНС, так  и алгоритмы оптимальной последовательной обработки данных БИНС с обратными связями для коррекции счислимых данных. Кроме того, с выхода фильтра координаты и скорости ВС поступают в приемник для ускорения поиска, а вычисленные значения  и , поступают в приемник для улучшения процесса слежения за кодом и частотой.

Если в приемнике  СРНС также имеется навигационный  фильтр, а БИНС дает полное решение  задачи инерциальной навигации (вплоть до вычисления координат), то получается схема сильносвязанной системы  с избыточностью. Такая архитектура, в частности, реализуется в системах Litton LN-100G и Honeywell H-764G

 

Схема рис. 1.9предполагает возможность встраивания приемника  СРНС в блок ИНС, что позволяет  существенно облегчить обеспечение  достаточно быстрых связей между  двумя устройствами, поскольку внутренние линии информационного обмена могут  иметь более высокое быстродействие, чем быстродействие, определенное используемыми  в настоящее время стандартами.

На рис. 1.10 приведена глубокоинтегрированная схема НК, включающая упрощенную спутниковую  аппаратуру, блок чувствительных элементов  БИНС и вычислитель. Приемник включает радиочастотную часть, генератор кодов, корреляторы и поисковую часть. Вычислитель реализует алгоритмы бесплатформенной ИНС и оптимальной оценки параметров, таких, как , ,h.

 

Схема рис. 1.10 отличается от схемы рис. 1.8 тем, что в приемнике СРНС вообще отсутствуют контуры слежения за  и . Задача определения последних возлагается на навигационный фильтр. Реализация глубокоинтегрированной схемы требует весьма мощных вычислителей, поскольку предполагается довольно высокая размерность вектора состояния (до 40 и более) в условиях достаточно быстрых изменений D_i (для маневренных самолетов). Поэтому это дело отдаленного будущего. Глубокоинтегрированная схема частично объединяет ПОИ и ВОИ.

Основное отличие связанных  и интегрированной схем комплексирования от разомкнутой состоит в том, что прогноз параметров движения в них осуществляется с помощью реализуемых самой БИНС алгоритмов счисления с учетом управляющих воздействий, полученных на основе работы алгоритмов ОПФ.

 

10.   Радионавигационные системы.

Погрешности радиотехнических систем навигации.

Погрешности РТС являются, как правило,   случайными процессами. Рассматриваются  стационарные (эргодические и неэргодические) и нестационарные процессы. Случайным процессом (с.п.) называется процесс, значение которого при любом фиксированном t=t₀ является случайной величиной . Случайная величина (с.в.) , в которую обращается с.п. при t=t₀  , называется сечением случайного процесса, соответствующим данному значению аргумента t.

С.п. можно записать в виде функции  двух аргументов – времени t и элементарного события :                              (1.62)

где  - элементарное событие, - пространство элементарных событий, Т – область (множество) значений аргумента t функции , - множество возможных значений случайного процесса . При обозначениях аргумент , как правило, опускается  и запись производится просто в виде  вместо .

Реализацией случайного процесса называется неслучайная функция , в которую превращается случайный процесс в результате опыта. Реализацию можно записать как функцию от аргумента t, изменяющегося в пределах множества Т, при фиксированном элементарном событии

: .                                                        (1.63).

Если произведено несколько  опытов, в результате каждого из которых наблюдена какая-то реализации с.п. , то получим семейство реализаций с.п.:

Семейство реализаций с.п. аналогично совокупности наблюденных значений с.в. Х с той разницей, что здесь  наблюдаются не числовые значения , а функции. Таким образом, случайный процесс , описывающий изучаемое явление, задается ансамблем его реализаций.

 

Основные  характеристики случайного процесса.

К ним относятся [1]:

• Функция распределения случайного процесса в момент

,              (1.64)

где - число реализаций, значения которых в момент не превышают . Для удобства в дальнейшем вместо будет записываться x.. Для стационарного эргодического процесса функция распределения не зависит от времени и может быть определена по единственной реализации : , где - общее время, в течение которого реализация находится не выше уровня .

• Плотность вероятности случайного процесса в момент

.                                                               (1.65)

Для  стационарных и эргодических процессов плотность не зависит  от времени:

.                                                                         (1.66)

• Математическое  ожидание , среднее значение квадрата , дисперсия нестационарных случайных процессов вычисляются в фиксированный момент времени по выборке из N реализаций (выборочных функций) –    нестационарного случайного процесса  по  формулам:

            1.67)

Для стационарных  эргодических  процессов эти моменты случайного процесса не зависят от времени и  могут быть вычислены по одной  реализации по формулам: