Глава 6 Комплексные системы радиоавтоматики

6.1. Методы комплексирования

Высокая надежность комплексов управления движением транспортных средств достигается путем использования различных радиотехнических и автономных систем. Недостатком радиотехнических систем является их зависимость от условий приема и помех. Например, прием радионавигационных сигналов может прерываться при больших углах крена самолета или при проезде автомобиля через тоннель. Автономные системы местоопределения используют измерения ускорения или скорости для вычисления пройденного пути и имеют высокую помехоустойчивость. Недостатком автономных систем является накопление погрешностей с течением времени. Например, при использовании датчика воздушной скорости на самолете или лага на корабле для определения пройденного пути накапливается ошибка счисления из-за влияния скорости ветра или течения, соответственно. Поэтому радиотехнические и автономные системы используются комплексно. Оптимальное объединение данных выполняется частотными методами или методом пространства состояний, позволяющим строить фильтры со многими входами и переменными параметрами. Необходимость в изменении параметров возникает при кратковременном пропадании сигналов одной из систем.

Построение оптимального комплексного измерителя координат можно осуществить двумя методами, различающимися объемом априорных данных. Первый метод предполагает составление дифференциальных уравнений (или описание в виде спектров), характеризующих движение объекта и изменение медленных составляющих ошибок измерительных устройств. Затем формируется вектор состояния, содержащий векторы состояния объекта и ошибок измерительных устройств, и для этого вектора составляются уравнения комплексной системы. Достоинство этого метода заключается в том, что в данном способе используется информация о движении объекта. Недостаток же заключается в высокой размерности вектора состояния и большом объеме априорных данных.

Второй метод комплексирования не использует данных о движении объекта и использует только уравнения (или спектры), описывающие медленные составляющие ошибок измерительных устройств. Такой алгоритм является инвариантным по отношению к параметрам движения объекта. Размерность вектора состояния и зависимость от априорных данных о движении объекта при этом способе снижаются ценой частичной потери точности оценивания. На практике принцип инвариантности находит широкое применение благодаря простоте комплексных измерителей координат.

Реализация комплексных систем может выполняться двумя основными способами, различающимися степенью интеграции систем. Первый способ предполагает наличие комплексного фильтра, на входы которого поступают сигналы от независимых устройств измерения координат, а выходной сигнал используется в системе управления. Сигналы комплексного фильтра не используются в измерительных устройствах для повышения качества их работы. Например, можно взять радиотехническую аппаратуру глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС) и автономную инерциальную навигационную систему (ИНС), вырабатывающую координаты объекта путем двукратного интегрирования ускорения. Затем координаты с выходов ГНСС – и ИНС – поступают в комплексный фильтр КФ, не имеющий обратных связей с измерительными устройствами (рис. 6.1, а). Поэтому такая комплексная система называется системой со слабой интеграцией. Достоинствами этой системы являются простота алгоритмов и низкие требования к быстродействию вычислительных средств, используемых для реализации комплексного фильтра.

Второй способ предполагает построение комплексной системы с глубокой интеграцией, в которой дискриминаторы радиосигналов и автономные измерительные элементы объединены в одном устройстве, а сглаживающие фильтры следящих измерителей входят в состав комплексного фильтра. Например, при глубокой интеграции ГНСС и ИНС обработка радиосигналов выполняется с помощью дискриминаторов, сигналы ошибки которых затем передаются в комплексный фильтр КФ, играющий роль многоканального сглаживающего фильтра следящих систем и объединяющий оптимальным образом радиотехнические и автономные данные (рис. 6.1, б). Оптимальные оценки используются для управления модуляторами измеряемых параметров. Автономные измерения выполняются с помощью акселерометров и гироскопов. Акселерометры определяют вектор ускорения, а гироскопы – вектор углового положения. В настоящее время разработаны миниатюрные кремниевые акселерометры и лазерные устройства измерения угловых скоростей, позволяющие реализовать комплексную систему в виде компактного устройства. Ошибки автономных измерителей корректируются оптимальным образом с помощью данных ГНСС. Проектирование подобных систем выполняется методами теории нелинейной фильтрации. Преимущество глубокой интеграции заключается в достижении потенциальной точности измерений. Однако алгоритм комплексной обработки в этом случае получается сложным, и для реализации системы с глубокой интеграцией требуются вычислительные средства с высоким быстродействием, так как необходимо производить поиск и обработку широкополосных радиосигналов.