Объединение в единую систему

Объединение всего навигационного оборудования в единый комплекс позволяет решать одну из важнейших задач в обеспечении безопасности полетов, а именно контроль целостности и работоспособности отдельных измерителей. Суть этого подхода заключается в том, что все измерения от всех датчиков и систем обрабатываются совместно. Однако, для создания подобных систем требуется некое ядро навигационной системы. На роль ядра больше всего подходит инерциальная навигационная система по следующим причинам:

- она работает по автономным измерениям, внешнее ее зашуметь крайне трудно

- по показаниям инерциальных датчиков можно получить большое количество различных измренеий параметров движения ЛА.

«Навигация» - основной режим работы МКНС, в котором производится вычисление координат, углов ориентации и проекций линейных скоростей на оси навигационной системы координат с использованием алгоритмов комплексной обработки информации (КОИ). В режиме «Навигация» выполняются алгоритмы бесплатформенной инерциальной навигационной системы (БИНС) (9), КОИ (10), курсовертикали (КВ) (12) и курсовоздушного/одометрического счисления (13). Выходной информацией в этом режиме является:

• курс, крен и тангаж, как результат комплексной обработки показаний БИНС (9), магнитометра (3) и приёмника ГНСС (2);

• проекции линейных скоростей и координат, вычисленные по показаниям БИНС, приёмника ГНСС, алгоритма курсовоздушного/одометрического счисления;

• среднеквадратичное отклонение (СКО) выдаваемых параметров ориентации и навигации.

В режиме «Навигация» результаты работы алгоритма «Курсовертикаль» (12) не используются при определении параметров ориентации и навигации, а используется для работы встроенной системы контроля.

При превышении СКО оценки ошибки определения скорости и/или координат, МКНС автоматически переходит в режим «Курсовертикаль» (12). Такой переход характерен при срыве слежения за сигналами спутниковой навигационной системы (СНС) приёмником ГНСС, при отсутствии поступающей от внешних датчиков информации для курсовоздушного или одометрического счисления пути. Это позволяет системе обеспечивать потребителя информацией об углах ориентации даже в случае продолжительной работы в автономном режиме. Режим «Курсовертикаль» (12) обеспечивает вычисление измерений курса, крена и тангажа, по показаниям алгоритма КВ.

Для работы этого режима необходимы измерения текущего курса объекта, которые могут быть получены по показаниям магнитометра. В случае отсутствия информации о курсе, МКНС переходит в подрежим «Гировертикаль», в котором вырабатываются измерения крена и тангажа на основании показаний инерциальных датчиков.

МКНС автоматически переходит в режим «Навигация» при возобновлении поступления информации о скорости и координатах. Примером такого перехода является возобновление приёма сигналов спутниковых навигационных систем.

Режим «Начальная выставка» обеспечивает определение углов ориентации, скорости и координат по показаниям инерциального измерительного модуля (ИИМ), включающего ДУС и акселерометры (1), магнитометра и приёмника ГНСС. Подробное описание алгоритма начальной выставки приведено в разделе 1.2.4 настоящего отчета

После выполнения алгоритма начальной выставки МКНС автоматически переходит в режим «Навигация», или, в случае недоступности измерений скорости и координат - в режим «Курсовертикаль».

Режим «Калибровка» (15) предназначен для вычисления компонент модели погрешности инерциальных датчиков на этапе подготовки МКНС к эксплуатации.

Режим «Девиация» (14) предназначен для вычисления компонент модели погрешности магнитометра. Этот режим объединяет в себе два процесса: девиационные работы – определение влияния намагничивающихся материалов на показания магнитометра и калибровка – оценка инструментальных погрешностей датчика.

Работу МКНС в режиме «Тест-контроль» обеспечивает модуль ПАО МКНС «Тест-контроль» (16). Назначением этого режима является проверка линий связи МКНС – бортовая вычислительная сеть. В этом режиме МКНС передаёт по всем интерфейсам сообщения установленного вида с известными значениями. МКНС должна переходить в режим «Тест-контроль» (16) по команде оператора.

Пример построения аппаратной и алгоритмической структуры комплексной навигационной системы

2. Идея и суть инерциальной навигации

   1. Инерциальная система координат

   2. Углы и ускорения

   3. Основное уравнение инерциальной навигации

3. Наиболее распространённые алгоритмы БИНС

   1. Гировертикаль

Рисунок 3.2.3 – Обобщенная блок-схема алгоритма ГВ

На вход алгоритма на момент времени поступают измерения акселерометров и ДУС в связанной с объектом системе координат. Показания акселерометров пересчитываются в горизонтную СК с использованием текущей матрицы связи между связанной с объектом СК и горизонтной свободной в азимуте СК:

. (22)

Матрица связи между связанной с объектом СК и горизонтной свободной в азимуте СК в начальный момент времени :

, (23)

где – угол курса, – угол тангажа, – угол крена на момент времени .

Проекции угловой скорости вращений горизонтной СК определяются через соотношения:

(свободная в азимуте СК),

где k - коэффициент крутизны коррекции по показаниям акселерометров.

На основе показаний ДУС и вычисленных значений рассчитывается изменение матрицы - в соответствии с модифицированным уравнением Пуассона, которое в принятых обозначениях имеет вид:

,

(24)

Матрица ориентации на момент времени будет определяться соотношением:

(25)

Вычисление истинного курса ψ, крена γ и тангажа определяются соотношениями:

(26)

Выбор масштабных коэффициентов k определяется на основе уравнений движения ГВ.

Если параметры продольной и поперечной коррекции одинаковы, то выражения для скоростей прецессии от схемы с ограниченной линейной коррекцией можно представить в виде:

(27)

где – зона пропорциональной коррекции, – крутизна характеристики коррекции гировертикали для пропорционального ее участка, – максимальное значение скорости прецессии от коррекции.

Для нормальной работы ГВ необходимо, чтобы корректирующие моменты вызывали прецессию гироскопа со скоростью, превышающей угловую скорость поворота направления истинной вертикали места в пространстве и собственную скорость прецессии гироскопа. В этом случае необходимо, чтобы .

Для примера примем (Evrocopter «EC 120 Colibri»), постоянный дрейф согласно техническим характеристикам для датчиков ADIS16334, ADIS16375 , ADIS16485. При использовании ADIS16334 с постоянным дрейфом , значение k=7,292116е-5+280*1000/(6378241*3600)+25*3,14/(180*3600)=2,0632*10-4

При использовании ADIS16375 ( ) – k=1.4329*10-4

При использовании ADIS16485 ( ) – k=1.1542*10-4

Выражение свидетельствует о наличие перекрестных связей между отдельными каналами, обусловленных проекциями на оси системы при углах не равных нулю. Однако эти связи не являются сильными и при рассмотрении вопросов динамики их можно не учитывать. В результате получим:

где – постоянные времени отдельных независимых процессов,

; ;

Рассмотрим в качестве примера первое уравнение, полагая . При наличии отклонения от плоскости кажущегося горизонта это уравнение имеет следующее решение:

,

где - угол рассогласования от кажущейся вертикали

Приведенное уравнение характеризуется экспоненциальной зависимостью угла от времени с постоянной времени .