- •«Московский государственный технический университет имени н.Э. Баумана» (мгту им. Н.Э.Баумана)
- •Содержание стр.
- •Введение
- •1 Лекция. Навигация по рельефу местности
- •1.2 Математическое обеспечение алгоритма кэнс
- •1.3 Вычисление высоты рельефа местности
- •2 Семинар. Алгоритмы работы кэнс
- •2.2 Моделирование работы грубой коррекции кэнс
- •3.1 Моделирование полета ла вдоль некоторой траектории
- •3.3 Сравнение ошибок определения координат местоположения при различных способах автономной навигации
- •Заключение
- •Методическое обеспечение дисциплины
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Московский государственный технический университет имени н.Э. Баумана» (мгту им. Н.Э.Баумана)
________________________________________________________________________
Факультет
«СПЕЦИАЛЬНОЕ МАШИНОСТРОЕНИ»
Кафедра СМ5
«АВТОНОМНЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ И УПРАВЛЯЮЩИЕ СИСТЕМЫ»
Отчет по дисциплине
«ПЕДАГОГИЧескИЙ практикУМ»
АВТОР
студент гр. СМ 5-18 Колесников Александр
Москва,
Содержание стр.
ВВЕДЕНИЕ 3
1 ЛЕКЦИЯ. НАВИГАЦИЯ ПО РЕЛЬЕФУ МЕСТНОСТИ 4
1.1 Обзор предметной области 4
1.2 Математическое обеспечение алгоритма КЭНС 8
1.3 Вычисление высоты рельефа местности 12
2 СЕМИНАР. АЛГОРИТМЫ РАБОТЫ КЭНС 14
2.1 Моделирование работы БИНС 14
2.2 Моделирование работы грубой коррекции КЭНС 15
2.3 Моделирование работы α - β фильтра 17
3 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА. МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ КЭНС 19
3.1 Моделирование полета ЛА вдоль некоторой траектории 21
3.2 Моделирование работы радио- и баровысотомеров 23
3.3 Сравнение ошибок определения координат местоположения при различных способах автономной навигации 23
4 ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ НА НИРС 25
5 ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЙ ПРОЕКТ 26
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 27
МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ 28
Введение
В данном курсе будут рассмотрены основные принципы навигации по рельефу местности. Системы реализующие такой принцип навигации – корреляционно-экстремальные навигационные системы (КЭНС).
Основой работы КЭНС является сравнение изображения совокупности ориентиров (текущего изображения) с эталонным изображением, полученным ранее. Разница в положении этих изображений в принятой системе координат позволяет формировать команды для удержания объекта управления на заданной траектории.
Также, в рамках данного курса, будут приведены основные типы КЭНС и даны краткие описания их работы. Будет поставлена задача анализа точности работы КЭНС, предложена и подробно изложена методика оценки точностных характеристик КЭНС.
Целью данного курса является:
ознакомление с основными типами КЭНС по рельефу местности;
рассмотрение основных характеристик КЭНС;
исследование возможностей применения КЭНС для коррекции работы навигационных систем;
разработка моделей КЭНС.
В практической части курса будет предложено техническое задание на выполнение НИРС и курсового проекта по данной дисциплине, а также методические указания к выполнению лабораторной работы.
1 Лекция. Навигация по рельефу местности
1.1 Обзор предметной области
Одними из наиболее перспективных и динамично развивающихся систем для решения задачи корректировки БИНС являются корреляционно-экстремальные навигационные системы (КЭНС). Поэтому они и получили широкое применение. КЭНС предназначена для коррекции горизонтальных координат и проекций скорости летательного аппарата (ЛА), счисляемых БИНС, с использованием заранее известно эталонной информации об участках маршрута ЛА.
Различают следующие виды КЭНС:
КЭНС по рельефу местности (рельефометрическая КЭНС);
Радиолокационная КЭНС (оптическая КЭНС по изображениям местности);
Магнитометрическая КЭНС;
Гравитационная КЭНС;
Оптическая КЭНС.
На рисунке 1 показаны основные типы КЭНС.
В настоящее время все разработки КЭНС ориентированы на цифровую обработку информации, а задача определения координат местоположения ЛА предполагает наличие бортовой эталонной карты поля. Поэтому для разработчиков наибольший интерес представляет классификация КЭНС по объему рабочей информации и алгоритмам корреляционно-экстремальной обработки рабочей информации. По объему рабочей информации КЭНС делятся на три класса:
КЭНС-1 – в системах этого класса измеряемая информация геофизического поля является одномерной, скалярной величиной;
КЭНС-2 – в системах этого класса бортовой датчик в течение короткого времени снимает информацию о поле вдоль заданной линии сканирования и эта информация выступает в качестве элементарного измерения поля, но представляет из себя некоторый одномерный массив (линейный объект);
КЭНС-3 – в системах этого класса измерением поля является информация, снимаемая датчиком с некоторого участка земной поверхности ("кадр" информации), т.е. измерение – это некоторый двумерный массив.
Рисунок 1 − Классификация КЭНС
Возможны и промежуточные классы КЭНС, в которых измерением является информация с нескольких точках, вдоль нескольких линий и др.
Важным достоинством КЭНС-1 является возможность использования для измерений как поверхностных полей Земли (поле ВРМ, оптическое, радиотепловое, инфракрасное поля, поле радиолокационного контраста и др.), так и пространственных полей (аномальное магнитное поле Земли (АМПЗ) и аномальное гравитационное поле Земли (АГПЗ)). Применение систем этого класса предполагает комплексирование с «грубой» навигационной системой (ГНС) ЛА, которая обеспечивает постоянное определение навигационных параметров полета (координаты местоположения, скорости, угловое положение ЛА в пространстве), но характеризуется наличием существенных ошибок в их определении. Комплексирование может осуществляться как по разомкнутой схеме, когда определенные в КЭНС ошибки навигационных параметров собственно в ГНС не поступают, так и в замкнутом контуре, когда ГНС и КЭНС объединены в рамках комплексной обработки информации. КЭНС-2 и КЭНС-3 могут использовать только поверхностные поля Земли.
По методу определения отклонения от экстремума КЭНС подразделяются на эвристические, поисковые, беспоисковые оптимальные (субоптимальные) и комбинированные.
Эвристические КЭНС разрабатывались на первом этапе на основе теории квазистационарных режимов. Алгоритмическое обеспечение на данном этапе базировалось в основном на использовании четырехточечной дифференциальной схемы формирования сигналов коррекции.
Главным недостатком дифференциального беспоискового алгоритма является потеря работоспособности системой при начальных рассогласованиях, превышающих радиус корреляции, а также при нестационарности поля по дисперсии, математическому ожиданию и спектру.
Поисковые КЭНС строятся на основе теории статистических решений. Особенностью поисковых алгоритмов является отсутствие ограничений на величину начальных ошибок навигационной системы.
Беспоисковые КЭНС базируются на Калмановской фильтрации, примененной к специфической задаче наблюдения нерегулярного поля. К достоинствам беспоисковых КЭНС относятся более высокие точностные характеристики, чем у поисковых КЭНС, однако ограничения на начальные рассогласования такие же, как и у эвристических КЭНС.
Комбинированные КЭНС, разрабатываемые на последнем этапе развития теории КЭНС, основываются на сочетании поисковых и беспоисковых алгоритмов, что позволяет снять ограничения по начальным ошибкам рассогласования и обеспечить высокую точность коррекции.
КЭНС является системой, функционирующей на основе задания множества гипотез об истинном движении объекта на некотором интервале времени, предшествующем текущему моменту. Каждой гипотезе ставится в соответствие определенная реализация, извлекаемая из карты поля. Сопоставление сигналов датчика поля и реализаций осуществляется путем вычисления некоторого функционала. Гипотеза, соответствующая экстремуму функционала, считается истинной.
КЭНС вырабатывает оценки навигационных параметров в зонах коррекции(ЗК), расположенных по маршруту полета и представляющих собой участки местности, ограниченные прямоугольными областями.
Эталонные матрицы высот зон коррекции формируются в системе подготовки полетных заданий из цифровых карт рельефа и вводятся в блок выработки навигационных поправок, представляющих собой двоичный код высот рельефа в узлах прямоугольной сетки, покрывающей ЗК.
Размеры дискретов матрицы высот, длина участка набора информации и другие параметры, необходимые для работы КЭНС в каждой ЗК, вводятся на борт в составе паспорта ЗК.
Во всех ЗК используется режим разовой коррекции (РК), базирующийся на традиционных алгоритмах поисковой КЭНС.
Вычисление режима разовой коррекции производится после набора измерительной информации на заданном интервале, начинающемся в центре доверительного квадрата по показаниям БИНС.
Оценки ошибок координат и проекций скорости формируются путем полного перебора гипотез об ошибках по координатам и скорости в пределах доверительного квадрата ЗК и поиска экстремума функционала сравнения измеренных и эталонных значений. В качестве функционала сравнения принята сумма квадратов разностей измеренных и эталонных высот рельефа по всем отсчетам сравниваемых реализаций.
В результате такой операции вырабатываются оценки ошибок по координатам и скорости, соответствующие глобальному минимуму функционала, которые поступают в БИНС для ее коррекции.