L1a_Mag

2

выделяют системы с низким и высоким уровнем интеграции (соответственно со слабой и сильной взаимосвязью ПА СНС и БИИМ). В первом случае (рис. В2) в вычислителе комплексной обработки информации (фильтре Калмана СНС/БИИМ) обрабатываются

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, давая возможность сократить время поиска и выделения полезного сигнала.

Это обеспечивает для интегрированного выхода СНС/БИИМ повышение точности в выработке НП (относительно данных СНС из-за сглаживания их шумов) и параметров ориентации (относительно данных БИИМ вследствие постоянной калибровки погрешностей их ЧЭ), а также устойчивости системы при «сбоях» в информации СНС.

Рис. В2. 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 D

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

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

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

3

Для ИСОН с высоким уровнем интеграции (рис. В3) 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 значения (псевдодальность и радиальная скорость) поступают от ПА СНС, а расчетные формируются по данным интегрированного выхода СНС/БИИМ о координатах и скорости объекта и эфемеридам каждого спутника, поступающим от ПА СНС. При этом целесообразно, чтобы от ПА СНС значения дальностей i и

радиальных скоростей i , а также скорости и координаты НСi в гринвичской системе координат поступали уже откорректированными с учетом поправок на тропосферную и ионосферную задержки, учетом сдвига шкал времени НСi и ПА

СНС, и быть привязаны к моменту обсервации. Кроме того, данные GPS/ГЛОНАСС должны быть пересчитаны от фазового центра приемной антенны к точке размещения ИБ БИИМ. Синхронизация данных БИИМ и ПА GPS/ГЛОНАСС должна быть не хуже 1 мс.

2.Сформированные в фильтре Калмана СНС/БИИМ отклонения D, D измеренных значений дальности и радиальной скорости для каждого спутника от их расчетных значений используются в ПА СНС в схемах слежения задержки по коду (ССЗ) и несущей частоте (ССН), обеспечивая им узкую ширину частотной характеристики при слежении даже в условиях высокой динамики объекта и тем самым высокую помехоустойчивость.

Рис. В3. 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. В2 схемой ИСОН.

4

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 большой 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 и динамических параметров, т.к. оптимально используют все данные СНС и БИИМ, характеризуются более длительным автономным (инерциальным) режимом работы при «сбоях» данных СНС, обеспечивают надежное слежение за спутниками при высокой динамике объекта и отличаются высокой помехоустойчивостью ПА СНС.

1. Имитационная модель в пакете Matlab (Simulink) функционирования ИСОН

Для исследования алгоритмов работы ИСОН с высоким уровнем интеграции и оценки точности решения задач ориентации и навигации подвижного объекта была разработана в пакете Matlab (Simulink) имитационная модель функционирования ИСОН, включающая:

имитационную модель движения группировки навигационных спутников (НС) по орбитам, близким к круговым, которая содержит формирование параметров поступательного движения ц.м. НСi в геоцентрической гринвичской системе координат (эфемеридной информации для каждого НСi ) с учетом принятой модели гравитационного поля Земли;

имитационную модель движения объекта, которая содержит задание параметров как поступательного движения его ц.м. (ускорения, линейные скорости, географические и декартовые координаты в гринвичской системе координат), так и вращательного - относительно ц.м.;

формирование выходных данных ИБ БИИМ (блока гироскопов типа ВОГ или ММГ и блока акселерометров типа ММА) на базе текущих истинных значений векторов угловой скорости и кажущегося ускорения точки размещения ИБ на объекте (восстановленных из модели движения объекта) с использованием массивов реализаций выходных данных гироскопов и акселерометров, полученных при их стендовых испытаниях;

дискретные рекуррентные алгоритмы основных функциональных задач БИИМ:

-предварительной обработки данных гироскопов и акселерометров;

-задачи пространственной ориентации объекта, включающей вычисление кватерниона положения и матрицы ориентации связанных с объектом осей относительно сопровождающего географического трехгранника;

-задачи преобразования сигналов акселерометров на навигационные оси и первого интегрирования с вычислением составляющих вектора относительной линейной скорости ц.м. объекта в проекциях на географические оси;

-навигационной задачи, включающей вычисление географических координат места объекта, вектора угловой скорости вращения географического трехгранника, составляющих радиус - вектора и вектора абсолютной линейной скорости ц.м. объекта в проекциях на оси гринвичского навигационного трехгранника;

задача фильтрации (задача совместной обработки с использованием алгоритмов обобщенного фильтра Калмана данных БИИМ и ПА GPS/ГЛОНАСС), включающая:

-формирование по модельным данным движения НСi и объекта и с учетом модели

погрешностей ПА GPS/ГЛОНАСС измеренных и откорректированных значений дальности и радиальной скорости для каждого НСi ;

5

- формирование по данным БИИМ и эфемеридной информации НСi расчетных значений дальности и радиальной скорости для каждого НСi ;

- формирование разностных измерений на уровне значений дальности и радиальной скорости для каждого НСi и их линеаризацию относительно текущих расчетных

значений координат места и скорости объекта;

- вычисление оценок погрешностей БИИМ и ПА GPS/ГЛОНАСС и коррекция в обратной связи на каждом шаге решения фильтровой задачи;

алгоритмы контроля погрешностей ИСОН в выработке кинематических параметров движения объекта, включающие запись их текущих значений в file.mat и построение графиков погрешностей.

Приведем описание алгоритмов решения основных задач, входящих в имитационную модель функционирования ИСОН.

1.1. Имитационная модель движения орбитальной группировки навигационных спутников (НС)

Основные обозначения систем координат и кинематических параметров движения НСi , используемые в работе:

ИСК – инерциальная система координат ( in1in2in3 ), правый ортогональный трехгранник с началом в ц.м. (т. Oe ) Земли (ось in3 направлена по оси суточного вращения Земли, ось in1 - в точку весеннего равноденствия), (рис.1.1);

ОСК – орбитальная система координат ( xor yor zor ), правый ортогональный трехгранник с

спутника через восходящий узел орбиты (за начальный момент времени t0 принимается момент прохождения спутника через восходящий узел орбиты).

6

A

Gin m ускорений силы тяготения Земли в проекциях соответственно на оси ИСК.

линейной скорости относительно инерциального пространства и радиус - вектора ц.м.

НС1 : 01 00 , u01 300 ; НС2 : 02 00 , u02 750 ;

НС3 : 03 1200 , u03 300 ; НС4 : 04 1200 , u04 750 ;

НС5 : 05 2400 , u05 300 ; НС6 : 06 2400 , u06 750 ;

1.2. Имитационная модель движения объекта

Основные обозначения систем координат и кинематических параметров движения объекта, используемые в работе:

ИСК – инерциальная система координат ( in1in2in3 ), правый ортогональный трехгранник с началом в ц.м. (т. Oe ) Земли (ось in3 направлена по оси суточного вращения Земли, ось

e1e2e3 - гринвичский навигационный трехгранник с началом в ц.м. Земли (рис.2.2);

OENH - географический сопровождающий трехгранник с началом в ц.м. объекта

(рис.2.2), (рис.2.3);

скорости ц.м. объекта относительно инерциального пространства в проекциях на оси гринвичской системы координат;

Cho , K, , - матрица направляющих косинусов и соответствующие ей углы Эйлера-

Крылова (курс, тангаж и крен) определяют угловую ориентацию объекта относительно географического сопровождающего трехгранника ENH (рис.2.4);

ПСК – приборная (правая ортогональная) система координат ( xb yb zb ), связанная с измерительным блоком (ИБ) БИИМ;

Lhb - кватернион положения и соответствующая ему матрица ориентации Chb определяют

угловую ориентацию ИБ БИИМ относительно географического сопровождающего трехгранника ENH ;

Cinb - матрица ориентации, которая характеризует угловую ориентацию ИБ БИИМ относительно ИСК;

9

угла поворота ИБ, кажущейся линейной скорости и кажущегося перемещения на шаге

кажущегося ускорения, измеряемые акселерометрами ИБ БИИМ в проекциях на приборные оси xb yb zb .

Если не учитывать упругих деформаций корпуса, то движущийся объект можно рассматривать как твердое тело с шестью степенями свободы, движение которого состоит из поступательного движения центра масс (ц.м.) и вращательного движения вокруг ц.м. Поступательное движение определяется координатами местоположения, векторами линейной скорости и ускорения ц.м. относительно выбранной навигационной системы координат, а вращательное движение - параметрами угловой ориентации относительно некоторого опорного сопровождающего трехгранника, векторами угловой скорости и углового ускорения корпуса объекта относительно навигационного или сопровождающего трехгранника.

В качестве навигационной системы координат будем использовать связанный с Землей правый ортогональный трехгранник Oee1e2e3 (гринвичский навигационный

трехгранник) с началом Oe (рис.2.2), расположенном в центре масс Земли, а в качестве сопровождающего объект трехгранника – географический сопровождающий трехгранник

где U - угловая скорость суточного вращения Земли.

Местоположение ц.м. объекта в навигационной системе координат может быть

Обычно считается, что система координат Oee1e2e3 вращается относительно ИСК с постоянной угловой скоростью (U ) суточного вращения Земли. Ориентация системы координат ENH относительно Oee1e2e3 определяется двумя углами и (рис.2.3) или

где , - геодезические (географические) координаты места объекта.

10

Рис.2.1. Система координат xo yo zo , связанная с корпусом объекта

O( , , h) E

Рис.2.2. Связанный с Землей правый ортогональный трехгранник Oee1e2e3