Моделирование алгоритмов комплексирования разнородных навигационных наблюдений

Актуальность темы

Современные комплексы навигационных приборов, устанавливаемых на морских и воздушных судах, а также на наземном транспорте, содержат различные средства получения информации о местоположении, ориентации в пространстве и параметрах движения подвижного объекта. Это порождает задачу комплексирования имеющейся информации с целью минимизировать ошибки оценивания параметров движения, определить выход из строя отдельных источников, а также обнаружить кратковременные выбросы наблюдаемых значений, связанные с аномальным влиянием тех или иных внешних факторов.

В известной литературе описан ряд подходов к решению задачи комплексирования навигационных средств, используемых при различной степени аппаратной интеграции навигационного комплекса. Вместе с тем, мало исследованными остаются алгоритмы комплексирования навигационной информации, позволяющие учитывать реальные модели движения морских подвижных объектов. Задача комплексирования усложняется нелинейностью моделей таких объектов, вызванной особенностями движения в водной среде. В то же время учет характера движения позволил бы уменьшить погрешности комплексных оценок. Получение таких оценок требует проведения значительного объема вычислительных работ по моделированию алгоритмов с целью их параметрической и структурной оптимизации, а также обеспечения вычислений в режиме реального времени. Таким образом, возникает актуальная задача разработки, моделирования и реализации в виде программных комплексов алгоритмов комплексирования разнородной информации с учетом динамических характеристик объекта управления.

Цель и задачи работы. Основной целью работы является повышение точности оценивания местоположения и параметров движения подвижного объекта на основе синтеза и моделирования оптимальных нелинейных и линеаризованных алгоритмов комплексирования разнородной навигационной информации. Для достижения названной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Проанализировать существующие источники навигационной информации, известные алгоритмы комплексирования, характер и величину возникающих погрешностей.

2. Синтезировать нелинейные и квазиоптимальные линеаризованные алгоритмы комплексирования разнородных навигационных источников, учитывающие модели движения управляемых объектов.

3. Провести математическое моделирование с целью сравнения эффективности оптимальных и квазиоптимальных алгоритмовдать оценки вычислительной сложности разработанных алгоритмов, изучить особенности их программной реализации.

4. Произвести проектирование и оптимизацию программного комплекса моделирования системы автоматического управления движением.

Методы исследования. При решении поставленных задач использовались методы теории вероятностей и математической статистики, теории случайных процессов. При разработке программного обеспечения применялись методы объектно-ориентированного анализа и проектирования распределенных программных систем.

Научная новизна положений, выносимых на защиту.

На защиту выносятся следующие научные результаты:

1. Предложены и промоделированы алгоритмы комплексирования, учитывающие нелинейную модель морского подвижного объекта, что позволило снизить СКО ошибки оценивания местоположения и параметров движения объекта.

2. Произведен сравнительный анализ эффективности алгоритмов, использующих нелинейную и линеаризованную модели. Показаны преимущества тех или иных алгоритмов при использовании их в реальных системах.

3. Предложены оптимальные и квазиоптимальные алгоритмы оценивания путевого угла, позволяющие за счет достаточно точных показаний гироскопического компаса и инерциальной системы значительно снизить дисперсию путевого угла, определяемого СНС.

4. Предложен и реализован в виде программного комплекса «Комплек-сирование» метод обработки навигационной информации, адаптируемый под множество возможных конфигураций навигационных средств корабля и позволяющий в реальном времени исключать неработоспособные источники из алгоритмов.

Практическая значимость. Предложенные в диссертации методика моделирования и алгоритмы дают разработчикам возможность построения универсальных систем обработки разнородной навигационной информации с учетом характера движения, позволяющих получать оценки местоположения и параметров движения объекта.

На основе предложенных алгоритмов был разработан программный комплекс «Комплексирование», используемый для автоматического управления движением корабля, что подтверждается актом внедрения, приложенным к диссертационной работе. Программный комплекс позволяет получить оценки необходимых параметров движения в различных режимах работы системы автоматического управления: в режиме динамического позиционирования и управления движением на высоких скоростях.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих НТК:

•Международная конференция «Континуальные алгебраические логики, исчисления и нейроинформатика в науке и технике» (Ульяновск, Ул-ГТУ, 2006);

•ХЫУ Международная научная студенческая конференция «Студент и научно-технический прогресс» (Новосибирск, НГУ, 2006);

•Пятая Всероссийская научно-практическая конференция (с участием стран СНГ), посвященная 50-летию Ульяновского Государственного Технического Университета (Ульяновск, УлГТУ, 2007);

•Шестая Всероссийская научно-практическая конференция (с участием стран СНГ) (Ульяновск, УлГТУ, 2009);

•Седьмая Международная конференция «Математическое моделирование физических, экономических, технических, социальных систем и процессов» (Ульяновск, УлГУ, 2009);

• ЬХ1У научная сессия, посвященная Дню радио (Москва, 2009 г.);

Ежегодные конференции профессорско-преподавательского состава Ульяновского государственного технического университета (2007;2009).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных работ, одна из них опубликована в журнале «Инфокоммуникационные технологии», входящем в перечень ВАК РФ.

Содержание работы. В первой главе произведен анализ существующих навигационных приборов, характер и величину погрешностей их измерений. Кроме того был произведен обзор существующих методов и подходов комплексирования навигационной информации.

Вторая глава посвящена синтезу, анализу и сравнению различных алгоритмов комплексирования навигационных измерений. Приведены результаты моделирования различных схем. Произведено сравнение эффективности и анализ целесообразности использования тех или иных алгоритмов на практике.

В третьей главе приводится проектирование программного обеспечения, предназначенного для моделирования системы управления движением морских подвижных комплексов. Программное обеспечение имеет модульную архитектуру и состоит из трех основных программных комплексов: «Ком-плексирование навигационных измерений», «Моделирования морских подвижных комплексов» и «Автоматическое управление движением».

3.10. Выводы.

1. Анализ возможных вариантов построения программных комплексов показал, что наиболее эффективно задача будет решаться модульной распределенной системой, переносимой на различные программные и аппаратные платформы на уровне исходных кодов.

2. По сравнению с предыдущим программным обеспечением, создаваемым под определенную модель МПО, была достигнута универсальность в рамках широкого круга различных МПО, достигаемая за счет разработанных механизмов адаптации и конфигурации системы.

3. За счет использования достаточно низкоуровневого языка С, а так же тщательной оптимизации реализации алгоритмов удалось достичь максимального быстродействия при выполнении сложных вычислительных операций.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации получено решение актуальной научно-технической задачи повышения точности алгоритмов комплексирования разнородных навигационных наблюдений и разработки программного комплекса для моделирования систем автоматического управления движением морских подвижных комплексов, использующих разработанные алгоритмы. Основные результаты и выводы могут быть сформулированы следующим образом.

1. Предложены и исследованы нелинейные алгоритмы комплексирования навигационных измерений, учитывающие модель движения корабля. Моделирование алгоритмов показало, что их использование позволяет значительно повысить точность определения координат корабля, снизив СКО ошибки в 1,5 -2 раза по сравнению с алгоритмом усреднения наблюдений СПС в скользящем окне.

2. Произведено сравнение нелинейных и линеаризованных оптимальных алгоритмов комплексирования. Сравнение показало, что применения нелинейных алгоритмов в стационарных условиях движения объектов приводит к уменьшению СКО ошибки на 1 — 8%. Наибольший выигрыш при использовании нелинейных алгоритмов достигается в случаях, когда линейная модель существенно отличается от нелинейной.

3. Синтезированы нелинейные алгоритмы оценивания путевого угла корабля, позволяющие снизить ошибки оценивания в 2−3 раза по сравнению с алгоритмом усреднения наблюдений СНС в скользящем окне. Разработаны и проанализированы квазиоптимальные алгоритмы оценивания путевого угла, позволяющие снизить СКО ошибки оценивания в 1.5−2 раза по сравнению с алгоритмом усреднения наблюдений СНС в скользящем окне за счет показаний компаса и инерциальной системы.

4. Произведено проектирование и разработка программного обеспечения, предназначенного для моделирования системы управления движением морских подвижных комплексов. Программное обеспечение имеет модульную архитектуру и состоит из трех основных программных комплексов: «Комплексирование навигационных измерений», «Моделирования морских подвижных комплексов» и «Автоматическое управление движением». Модели разработаны на языке С, что позволяет легко переносить их на различные программные и аппаратные платформы.