58

Раздел 3. Интегрированные системы ориентации и навигации (исон)

Л.10. ИСОН – перспектива развития навигационного оборудования подвижных объектов

Содержание

• Назначение, решаемые задачи и структура построения ИСОН

• Интерфейсы

- внутрисистемные интерфейсы БИИМ

- интерфейсы взаимодействия БИНС и ИСОН с внешними устройствами

• Режимы работы и используемые в них методы обработки навигационной информации

• Примеры построения зарубежных и отечественных систем

• Современное состояние ЭКНИС

• Перспектива развития НО кораблей и морских судов начала XXI века

1.1. Назначение, решаемые задачи и структура построения исон

Различные исследования последнего времени указывают на то, что основными факторами, определяющими состав и структуру построения навигационного оборудования (НО) для большинства подвижных объектов, будет ужесточение требований по точности, информационной автономности в условиях действия естественных и искусственных радиопомех, стоимости, МГХ и энергопотреблению.

Как известно, исходя из стоимости и необходимости обеспечения высоких эксплуатационных характеристик (МГХ, надежность, время готовности и т.д) основу современного НО подвижных объектов (ПО) в большинстве случаев составляют бескарданные или бесплатформенные инерциальные навигационные системы (БИНС) или инерциальные измерительные модули (БИИМ). Это одна из основных современных тенденций развития НО для большинства подвижных объектов различного назначения.

Определяющими требованиями к точности НО, например, кораблей и морских судов различных классов являются нормы ИMO для открытого моря и требования национальной администрации для входов в порты, гавани и в акватории портов по точности определения координат места в интересах навигационной безопасности плавания:

1. в открытом море - 4 м.миль, p=0,95 (Резолюция ИМО А.529 от 17.11.1983г.);

1. в прибрежной зоне (на удалении до 50 м.миль от берега) - 4% от расстояния до навигационной опасности, но не более 2 м.миль, p=0,95 (Резолюция ИМО А.529 от 17.11.1983г.);

1. в стесненных водах и на подходах к портам - 100 м, р=0,95;

1. в акватории порта - 20 м, р=0,95;

а также требования по обеспечению навигационной информацией корабельных потребителей в условиях имеющих место ограничений по информационной автономности навигационного оборудования.

Требования к точности чувствительных элементов (ЧЭ) БИИМ, предназначенных для информационного обеспечения кораблей и морских судов различных классов, представлены в табл.1. Следует отметить, что для БИИМ на датчиках угловых скоростей (типа ЛГ, ВОГ) характерным является наличие так называемого “вычислительного” дрейфа, обусловленного погрешностями численного интегрирования уравнений Пуассона, а также имеют место чрезвычайно высокие требования к линейности и стабильности масштабных коэффициентов гироскопов. Вместе с тем, в таких БИИМ отсутствуют списывающие устройства, которые имеют место в БИИМ на позиционных гироскопах типа ЭСГ и погрешности которых оказывают существенное влияние на точность выработки динамических параметров, используемых в задачах начальной выставки и калибровки бортовых систем корабельных потребителей.

Из эксплуатационных характеристик наибольшее значение для чувствительных элементов имеют надежностные (среднее время наработки на отказ - T₀) и массогабаритные характеристики (МГХ), энергопотребление и стоимость. Как показывает анализ, лучшие образцы платформенных ИНС в настоящее время обладают средним временем наработки на отказ не более (3...5) тыс.часов. Для современного НО обязательным является снижение МГХ и энергопотребления при ужесточении требований по надежности. Для авиационных и корабельных БИИМ реальным является достижение уровня T₀ порядка (15...20) тыс. ч., массы измерительного блока БИИМ порядка (10...20) кг и энергопотребления около (30…50) Вт. Это требует от чувствительных элементов БИИМ среднего времени наработки на отказ не менее (50...60) тыс. ч. Так как масса и энергопотребление измерительного блока БИИМ определяется, в основном, характеристиками гироскопов, то для перспективных БИИМ масса гироскопов не должна превышать 3 кг, а энергопотребление - не более 5 Вт.

Таблица 1.

Класс корабля	I класс	II класс	III класс
Нестабильность дрейфа гироскопов, град./ч
Погрешности акселерометров, м/с2

(I класс – ПО с информационной автономностью НО сутки и более; II класс - ПО с информационной автономностью НО несколько часов; III класс – ПО, основные требования к НО которых предъявляются со стороны систем автоматического управления движением по заданной траектории без предъявления существенных ограничений по информационной автономности.

Выполнение требований, аналогичным приведенных выше, к точностным характеристикам инерциальных ЧЭ для перспективных ПО различного назначения является сложной проблемой, решение которой требует значительных финансовых и временных затрат. Поэтому, исходя из критерия стоимости, как показывает мировой опыт, решение данной проблемы принято искать на путях интеграции информации бесплатформенных (бескарданных) инерциальных измерительных модулей с ПА СНС при калибровке инерциальных ЧЭ после запуска ИИМ на интервалах времени возможного использования данных СНС. Т.е. на путях построения интегрированных систем навигации и ориентации (ИСОН) на базе бескарданных измерительных модулей (БИИМ), информационно интегрированных с приемной аппаратурой (ПА) СНС.

К настоящему времени уже сложилось определенное понятие об ИСОН в авиации, ракетной технике и в морских приложениях, где они нашли практическое применение.

Среди ИСОН выделяют системы с низким и высоким уровнем интеграции (соответственно со слабой и сильной взаимосвязью ПА СНС и БИИМ). В первом случае (рис. 1.1.1) в вычислителе комплексной обработки информации (фильтре Калмана СНС/БИИМ) обрабатываются измерения от СНС и БИИМ на уровне координат местоположения и линейной скорости объекта. При этом может сохраняться избыточность и независимость выходов СНС и БИИМ. Кроме того, выходные данные БИИМ по координатам местоположения и линейной скорости объекта используются в ПА СНС в схеме поиска и сбора исходных данных для задания начальных прогнозируемых значений задержки кода и несущей частоты входного сигнала. Что приводит к сокращению времени поиска и выделения полезного сигнала.

Это обеспечивает для интегрированного выхода СНС/БИИМ повышение точности в выработке навигационных параметров (НП) относительно данных СНС (из-за сглаживания их шумов) и параметров ориентации (ПО) относительно данных БИИМ (вследствие коррекции их погрешностей). А также повышение устойчивости системы при «сбоях» в информации СНС, опираясь на «гироскопическую память» БИИМ.

Рис. 1.1.1. Блок-схема ИСОН с низким уровнем интеграции:

УП – усилитель и преобразователь входного сигнала СНС; ССЗ – схема слежения задержки по коду, обеспечивающая измерение псевдодальности D для каждого спутника; ССН – схема слежения по несущей частоте, обеспечивающая измерение радиальной скорости

При введении дополнительных связей в системе в целях коррекции погрешностей инерциальных элементов непосредственно в схеме БИИМ и использования данных БИИМ по ускорению объекта в ПА СНС:

1. точностные характеристики БИИМ и интегрированного выхода СНС/БИИМ практически совпадают;

1. улучшаются данные СНС в динамических условиях движения объекта, хотя при этом будет потеряна независимость выходов СНС и БИИМ;

2. повышается уровень информационной автономности системы.

Для ИСОН с высоким уровнем интеграции (рис. 1.1.2) прежде всего характерно следующее:

1. В фильтре Калмана СНС/БИИМ разностные измерения формируются на уровне дальности и радиальной скорости для каждого спутника. При этом их измеренные и откорректированные значения поступают от ПА СНС, а расчетные формируются по данным интегрированного выхода СНС/БИИМ о координатах и скорости объекта и эфемеридам каждого , поступающим от ПА СНС.

1. Сформированные в фильтре Калмана СНС/БИИМ отклонения измеренных значений дальности и радиальной скорости для каждого от их расчетных значений используются в ПА СНС в схемах слежения задержки по коду (ССЗ) и несущей частоте (ССН). Обеспечивая тем самым в схемах слежения узкую ширину частотной характеристики при слежении даже в условиях высокой динамики объекта, что приводит к высокой помехоустойчивости системы.

Рис. 1.1.2. Блок-схема ИСОН с высоким уровнем интеграции

При этом сохраняется избыточность и независимость выходов СНС и БИИМ. Возможна также и модификация данной системы с введением дополнительных связей по аналогии с приведенной на рис. 1.1.1 схемой ИСОН.

Данные системы требуют более производительных вычислительных средств, т.к. в этом случае требуется решение нелинейной задачи фильтрации из-за нелинейной зависимости первичных навигационных измерений от оцениваемых параметров и большей их временной изменчивостью по сравнению с оцениваемыми параметрами. В настоящее время для решения этой задачи используются так называемые обобщенные и итерационные обобщенные фильтры Калмана.

Вместе с тем ИСОН с высоким уровнем интеграции являются более точными в выработке навигационных параметров и параметров ориентации объекта, т.к. оптимально используют все данные СНС и БИИМ. Обработка данных БИИМ осуществляется индивидуально с каждым из наблюдаемых , не требуя от ПА СНС навигационного решения. Характеризуются более длительным автономным (инерциальным) режимом работы при «сбоях» данных СНС, обеспечивают надежное слежение за навигационными спутниками при высокой динамике объекта и отличаются высокой помехоустойчивостью ПА СНС.

К интегрированным системам с высоким уровнем интеграции относятся известные авиационные ИСОН типа LN-100G (фирма “Litton”, США) или H-764G (фирма “Honeywell”, США), использующие БИИМ на лазерных гироскопах.

ИСОН с высоким уровнем интеграции (рис.1.1.3) в морской практике пока не нашли применения, хотя их создание безусловно актуально. Особенно для высокоманевренных катеров и малоразмерных судов они будут эффективны, обеспечивая при этом ограниченные МГХ, высокую точность и помехоустойчивость.

Рис. 1.1.3. Структурная схема ИСОН с высоким уровнем интеграции

, - измеренные и расчетные , значения дальности и радиальной скорости для каждого ; - эфемериды ; ПО – параметры ориентации; НП - навигационные параметры

Как известно ИСОН должны представлять собой информационную основу интегрированных систем более высокого уровня (систем навигации, управления движением, освещения обстановки и связи; в морской практике их называют «интегрированными мостиками») и решать следующие основные задачи:

1. выработку всех кинематических параметров ПО в месте установки БИИМ, характеризующих как поступательное движение его центра масс (ц.м.) в низкочастотной области спектра (навигационные параметры), так и высокочастотное угловое и линейное движение точки расположения ИБ ИИМ на объекте (параметры ориентации и другие динамические параметры). Что необходимо для решения задач навигации, начальной выставки и стабилизации бортовых навигационных приборов основных потребителей (комплексов оружия и т.п.) и управления движением. При этом точностные требования в части выработки НП определяются в основном требованиями задачи навигации по обеспечению безопасности движения и обеспечению начальных условий старта для комплексов оружия, а в части выработки ПО - требованиями задачи начальной выставки и стабилизации бортовых приборов потребителей информации;

1. приведение (пересчет) значений навигационных параметров от места установки ИБ БИИМ ИСОН к точке размещения бортовых приборов потребителей навигационной информации с учетом при необходимости динамических деформаций корпуса объекта;

1. отображение текущей навигационной информации от ИСОН о параметрах движения объекта на дисплее электронной картографической навигационно-информационной системы (ЭКНИС), наряду с картографической информацией, навигационным оборудованием района и программной траекторией движения (рис. 1.1.4).

Рис. 1.1.4. Структурная схема ИСОН для морских объектов

НРЛС – навигационная радиолокационная система; От. лаг – относительный лаг;

НП - навигационные параметры; ПО – параметры ориентации и другие динамические параметры

При этом наиболее вероятным представляется развитие морских ИСОН в двух направлениях:

1) ИСОН с опорой на данные СНС в зонах устойчивого приема информации СНС (обсервационный режим) и данные лага (автономный режим) - для надводных кораблей и судов;

2) ИСОН с опорой на данные гидроакустических навигационных измерителей (обсервационный режим) и данные лага (автономный режим) - для подводных аппаратов различного назначения.

Структура построения ИСОН во многом определяется принятой организацией обмена информацией между навигационными измерителями и пультом управления, контроля и обработки информации (внутрисистемный интерфейс) и между ИСОН и потребителями навигационных данных (внешний интерфейс).