Синтез алгоритмов функционирования бортовой навигационной системы для малоразмерных беспилотных летательных аппаратов

Актуальность проблемы.

В настоящее время наблюдается интерес к использованию малоразмерных беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) при решении задач видовой разведки и патрулирования в геологии, геодезии, картографии, лесном и сельском хозяйстве, охране границ и т. п. Представляют интерес БПЛА, выполненные по самолетной схеме, со стартовой массой до 50 кг как наиболее дешевые и удобные в эксплуатации [1]. Для них не требуется специальных аэродромов. Запуск осуществляется с транспортного средства при помощи катапульты, а посадка на парашюте.

Системы управления БПЛА строятся на основе сочетания принципов программного и дистанционного управления и представляют собой комплекс наземного и бортового оборудования. Неотъемлемой частью системы управления является навигационная система БПЛА, представляющая собой сложный измерительно-информационный комплекс, предназначенный для снабжения системы управления данными, необходимыми для движения аппарата по заданному маршруту. Навигационная система (НС) включает в себя измерительные устройства (датчики) и вычислительную систему, используемую для обработки поступающей от измерителей информации и выдачи ее в канал управления. Навигационная информация должна удовлетворять предъявляемым к ней требованиям по точности и надежности. Как правило, любой датчик, взятый в отдельности, указанным требованиям не удовлетворяет, поэтому возникает необходимость в установке на борту нескольких навигационных датчиков, объединяемых вычислителем навигационных параметров в единую навигационную систему.

В настоящее время для управления БПЛА созданы навигационные системы. Однако, абсолютному большинству НС присущ ряд недостатков, ограничивающих их использование. Это сложность конструкции, а следовательно, низкая надежность, большие габариты, вес, потребляемая мощность. Другие НС, лишенные этих недостатков, обладают высокой стоимостью. Поэтому особое внимание обращается на разработку дешевой НС, в то же время обладающей приемлемыми характеристиками, способными удовлетворить требования по точности, массо-габаритные требования. В связи с этим работа по исследованию системы навигации для малоразмерного БПЛА является актуальной.

Цель работы и задачи исследования.

Целью работы является создание и исследование новых, достаточно простых и надежных, недорогих НС и отдельных компонент НС, являющихся составной частью пилотажно-навигационного комплекса БПЛА. В связи с поставленной целью в работе исследованы следующие вопросы:

— проведен сравнительный анализ существующих технических решений;

— рассмотрены принципы построения НС и отдельных элементов НС;

— исследованы статистические характеристики датчиков навигационной информации, являющихся составными элементами разрабатываемой НС;

— проведена оптимизация существующих математических моделей БПЛА с целью внедрения оптимальной модели БПЛА в алгоритм работы НС;

— разработаны новые схемы комплексирования датчиков навигационной информации;

— исследованы статистические характеристики новых схем комплексирования в различных условиях полета БПЛА;

— разработан бортовой вычислитель навигационных параметров (БВНП), реализующий новые схемы комплексирования датчиков;

— выполнены экспериментальные исследования с помощью методов полунатурного моделирования и определены области практического применения БВНП.

Методы исследования.

НС предназначена для определения навигационных параметров (координат положения БПЛА, его скоростей и т. д.), которые представляют собой реализации случайных процессов. Кроме того, входные сигналы (измерения датчиков) всегда наблюдаются на фоне помех. Поэтому статистические методы анализа и синтеза, которые основаны на вероятностной трактовке процессов, протекающих в НС, описания навигационных параметров, сигналов и помех на основе понятия пространства состояний являются наиболее оптимальными методами для построения и исследования НС. Применение статистических методов исследования систем дает возможность более глубоко и полно анализировать их функционирование в реальных условиях.

В данной работе для синтеза и исследования НС используются методы марковской теории оптимального нелинейного оценивания, разработанной Р. Л. Стратановичем.

Марковская теория оптимального нелинейного оценивания дает возможность решать задачи синтеза многомерных стационарных и нестационарных, линейных и нелинейных систем в дискретном и непрерывном вариантах. Марковская теория оптимального нелинейного оценивания, естественно, охватывает как частный случай оптимальную линейную фильтрацию Калмана-Бьюси.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

— предложены и теоретически исследованы различные варианты НС и отдельных компонент НС, включая варианты с использованием линейной модели БПЛА;

— получены зависимости статистических характеристик различных компонент НС от времени, среднеквадратических ошибок измерений, параметров корреляции ошибок измерений;

— разработана математическая модель движения БПЛА, учитывающая влияние возмущающих факторов, отличная от общепринятой;

— исследованы статистические характеристики ошибок спутниковой навигационной системы (СНС), а также построены и экспериментально подтверждены математические модели ошибок СНС.

Основные положения, выносимые на защиту:

— схемы построения НС, обеспечивающие улучшение точностных характеристик в случае использования недорогих датчиков навигационной информации, имеющих среднюю точность измерений;

— математическая модель движения БПЛА с введёнными в вектор состояния параметрами, характеризующими возмущающие факторы движения БПЛА;

— статистический анализ результатов данных ошибок измерений СНС;

— полунатурный моделирующий стенд, предназначенный для отладки программного обеспечения пилотажно-навигационного комплекса.

Практическая ценность диссертационной работы заключается в следующем:

— предложена новая схема построения НС, позволяющая оценивать все параметры, необходимые для качественного управления БПЛА;

— разработана структурная схема БВНП ;

— разработаны алгоритм работы НС, а также программное обеспечение, реализующее этот алгоритм;

— построен комплексный моделирующий стенд для отработки программного обеспечения БВНП в режиме реального времени;

— определены области практического применения разработанной НС и даны рекомендации по дальнейшей оптимизации устройства.

Результаты работы внедрены на головном предприятии по малоразмерным БПЛА ФГУП «КБ «Луч», г. Рыбинск.

Апробация работы.

Основные результаты работы были вынесены на обсуждение и одобрены на следующих конференциях:

— I Всероссийская научно-техническая конференция «Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве» — Н. Новгород, 1999.

— XXVI конференция молодых ученых и студентов — Рыбинск, 1999.

— Всероссийская научно-техническая конференция «Аэрокосмические технологии и образование на рубеже веков» — Рыбинск, 2002.

Публикации.

По результатам выполненных исследований опубликовано пять печатных работ, посвященных математическим моделям малоразмерного летательного аппарата, идентификации их параметров, построению пилотажно-навигационных систем, исследованию систем обработки информации, построению моделирующих стендов.

Структура и объём диссертации.

Работа состоит из введения, четырех основных разделов, заключения, списка литературы и приложений. Диссертация изложена на 185 листах, из них 152 страницы основного текста, 32 страницы занимают приложения, 6 страниц — список литературы из 65 работ. Работа содержит 50 рисунков и 4 таблицы.

Выводы.

1. Использование разработанного бортового вычислителя навигационных параметров в составе бортовой аппаратуры БПЛА позволяет выполнить реализацию оптимальных алгоритмов оценивания параметров движения БПЛА, синтезированных в разделе 3.

2. Использование полунатурного моделирующего стенда позволяет проверить работоспособность программного обеспечения навигационно-пилотажной системы.

3. Разработанный бортовой вычислитель навигационных параметров использует лишь часть алгоритмов, синтезированных в разделе 3. Целесообразна дальнейшая доработка, исследование неиспользованных алгоритмов и их реализация на основе бортового вычислителя.

Заключение

.

В результате проведенных исследований разработаны научные основы построения навигационных систем, использующих недорогие датчики средней точности. Увеличение точности вычисления навигационных параметров достигнуто комплексной обработкой информации с датчиков, размещенных на летательном аппарате, и информации, получаемой со спутниковой навигационной системы. Включение в структуру вычислителя навигационных параметров математической модели БПЛА с расширенным вектором состояния позволяет наблюдать не только навигационные параметры, но и целый ряд параметров ориентации летательного аппарата. Использование в комплексной обработке информации реальных моделей ошибок датчиков, полученных в результате экспериментальных исследований, увеличивает достоверность принятых решений.

На основании теоретических исследований построена структура навигационной системы, обеспечивающая высокую точность вычисления навигационных параметров, что подтверждается экспериментальными исследованиями, выполненными на полунатурном стенде, включающем в себя вычислительный комплекс и опытный образец пилотажно-навигационной системы.

По результатам выполненных теоретических исследований и проведенных экспериментов можно сделать обобщенные выводы:

— для более полного и точного описания навигационной системы в ее структуру необходимо ввести математическую модель беспилотного летательного аппарата с расширенным вектором состояния, учитывающим траекторные углы атаки, скольжения и крена, а также вектор скорости ветра;

— навигационная система малоразмерного беспилотного летательного аппарата должна иметь комплексную структуру, состоящую из автономной и неавтономной частей, для снижения массогабаритных характеристик и стоимости навигационную систему целесообразно комплектовать датчиками средней точности, а для компенсации ошибок применять комплексирование со спутниковой навигационной системой при совместной обработке и фильтрации оптимальными цифровыми фильтрами;

— при синтезе алгоритмов навигационной системы необходимо применять методы марковской теории оптимальной нелинейной фильтрации, позволяющие оценивать параметры на фоне как белых, так и окрашенных шумов;

— комплексирование измерений датчиков автономной навигационной системы со спутниковой навигационной системой позволяет наблюдать с приемлемой точностью систематические составляющие ошибок датчиков без использования математической модели беспилотного летательного аппарата, в случае же ее использования возможна оценка навигационных параметров летательного аппарата даже при отсутствии спутниковой навигационной системы;

— испытания опытного образца бортовой навигационной системы показали правильность выбранного направления исследований по созданию малогабаритного и недорогого бортового вычислителя навигационных параметров беспилотного летательного аппарата с высокими оценочными характеристиками.

Результаты диссертационной работы по созданию бортовой навигационной системы для управления малоразмерным беспилотным летательным аппаратом внедрены в ФГУП «КБ «Луч» путем их использования при разработке навигационно-пилотажной системы для малоразмерного беспилотного летательного аппарата специального назначения.