Козорез Дмитрий Александрович. Формирование облика бортовой интегрированной системы навигации и управления перспективного беспилотного вертолета в маловысотном полете

Краткое описание

Козорез Дмитрий Александрович. Формирование облика бортовой интегрированной системы навигации и управления перспективного беспилотного вертолета в маловысотном полете : диссертация ... кандидата технических наук : 05.13.01 / Козорез Дмитрий Александрович; [Место защиты: Моск. гос. авиац. ин-т].- Москва, 2008.- 102 с.: ил. РГБ ОД, 61 09-5/108

МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ
(ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)
На правах рукописи
104.20 0.9 00 70 7 -
Козорез Дмитрий Александрович
ФОРМИРОВАНИЕ ОБЛИКА БОРТОВОЙ ИНТЕГРИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ НАВИГАЦИИ И УПРАВЛЕНИЯ ПЕРСПЕКТИВНОГО БЕСПИЛОТНОГО ВЕРТОЛЕТА В МАЛОВЫСОТНОМ ПОЛЕТЕ
Специальность 05.13.01
Системный анализ, управление и обработка информации
(Авиационная и ракетно-космическая техника)
ДИССЕРТАЦИЯ
на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель: д.т.н., проф. Красильщиков М.Н.
Научный консультант: к.т.н., доц. Сыпало К.И.
Москва - 2008
О/
Введение
1. Математические модели и алгоритмы, используемые для определения архитектуры и
алгоритмического состава бортовой интегрированной системы. 7
1.1. Математическая модель пространственного движения вертолета как объекта
управления с учетом влияния различных неконтролируемых факторов. 7
1.2. Модели чувствительных элементов с учетом влияния неконтролируемых факторов
различной природы и алгоритмы БИНС. 16
' J
1.2.1. Акселерометры и датчики угловой скорости. 16
1.2.2. Навигационный алгоритм и алгоритм определения ориентации. 17
1.3. Радиобаровысотомер как средство навигационного обеспечения канала высоты. 21
1.4. Многоканальный GNSS приемник как источник навигационных данных. 22
1.4.1. Математическая модель функционирования стандартного GNSS приемника в
режиме кодовых измерений. 22
1.4.2. Модель функционирования GNSS приемника в условиях действия активных
помех. 24
1.4.2.1. Состав GNSS приемника, предназначенного для работы в условиях
действия помех. 24
1.4.2.2. Модель влияния белошумной помехи на функционирование GNSS
приемника. 25
1.4.2.3. Управление диаграммой направленности фазированной антенной
решетки GNSS приемника. 29
1.4.2.4. Адаптивная фильтрация сигнала. 30
1.5. Бортовая РЛС как источник навигационных данных. 32
1.5.1. Режимы работы БРЛС. 32
1.5.2. Цифровая карта местности. 36
1.5.3. Алгоритм формирования кадра. 38
1.6. Модифицированный корреляционно-экстремальный алгоритм навигации. 41
1.6.1. Формирование эталонного кадра и решение навигационной задачи 41
1.6.2. Вероятностный критерий достоверности полученного решения. 43
1.7. Система стабилизации вертолета. 44
1.8. Алгоритм управления движением центра масс вертолета «идеальный пилот». 45
1.9. Выводы по главе 1. 51
2. Алгоритмы интеграции навигационных данных с использованием различных архитектур. 52
2.1. Интеграция данных при слабо связанной архитектуре 52
2.2. Глубоко интегрированная архитектура. 60
2.3. Выводы по главе 2. 66
з
3. Имитационное моделирование маловысотного полета. 67
3.1. Программный комплекс для имитационного моделирования процесса МВП с
использованием разработанных моделей и алгоритмов. 67
3.2. Функционально-программный прототип бортового интегрированного комплекса. 68
3.3. Имитационное моделирование ФПП интегрированной системы при
слабосвязанной архитектуре. 70
3.3.1. Исходные данные имитационного моделирования. 70
3.3.2. Результаты моделирования и их анализ. 75
3.4. Имитационное моделирование маловысотного полета при глубоко интегрированной
архитектуре бортового контура в условиях действия помех. 89
3.4.1. Исходные данные для моделирования. 89
3.4.2. Результаты моделирования и их анализ. 90
3.5. Выводы по главе 3. 98
Заключение 99
Литература 101

Список литературы

Заключение
В представленной работе сформулирована и решена актуальная техническая задача по формированию облика бортовой интегрированной системы перспективного беспилотного вертолета в маловысотном полете.
Научную новизну работы обуславливают следующие результаты:
1) сформирован облик бортовой интегрированной системы навигации и управления перспективного беспилотного вертолета, обеспечивающей безопасный МВП в режиме огибания рельефа местности, в том числе в условиях действия активных помех;
2) предложена архитектура интегрированной системы, аппаратный состав и алгоритмы навигации и управления, обеспечивающие безопасный МВП БЛА при отсутствии помех с точностями навигационных определений (3 а): по положению - 30 м, по скоростям - 0.5 м/с, по высоте — 3 м, в том числе при деградации навигационного комплекса (отсутствие сигналов GPS/ГЛОНАСС);
3) предложена архитектура интегрированной системы, аппаратный состав и алгоритмы навигации и управления, обеспечивающие безопасный МВП БЛА при наличии активных белошумных помех мощностью до 300 Вт, с полосой 0,1 МГц и дальностью до источника помех порядка 80 км.
4) разработаны алгоритмы интеграции навигационных данных в рамках слабо
связанной и глубоко интегрированной архитектур бортового комплекса, обеспечивающие потребную для безопасного МВП точность привязки центра масс БЛА к географическим координатам; '
5) создан модифицированный корреляционно-экстремальный алгоритм навигации (КЭАН) БЛА. Модификация алгоритма состоит в учете эволюции БЛА при формировании эталонного изображения, а также в использовании вероятностной оценки достоверности и точности получаемого навигационного решения. Модифицированный КЭАН обеспечивает в отсутствие сигналов GPS/ГЛОНАСС точность решения навигационной задачи, характеризуется параметрами бортовой цифровой карты подстилающей поверхности;
6) разработан алгоритм управления центром масс БЛА, обеспечивающий при упомянутой выше точности привязки центра масс к географическим координатам безопасный МВП путем совершения маневров «обход», «облет» и «обход-облет»;
7) разработана математическая модель влияния активной помехи на процесс функционирования GNS S-приемника;
8) предложены архитектура GNSS-приемника и алгоритм адаптивной фильтрации принимаемого навигационного сигнала, обеспечивающие работоспособность приемника в условиях активных помех;
9) Разработаны математические модели:
стандартного GNSS-приемника, с учетом ошибкок бортовой аппаратуры НКА, погрешности, вызванной ионосферной задержкой сигнала, погрешности, вызванной тропосферной задержкой сигнала, погрешности, вызванной эффектом многолучевости, погрешности, вносимой внутренними шумами приемника, систематической погрешности вектора скорости, вносимой высокочастотной частью приемника, случайные аддитивные составляющие ошибок оценивания.
GNSS-приемника, функционирующего в условиях действия активных помех, в состав которого входят пеленгатор источника помехи, фазированная антенная решетка с системой управления диаграммой направленности, блок адаптивной фильтрации. Данная модель приемника учитывает влияние помехи, определяя эквивалентную ошибку определения псевдодальности;
10) разработан функционально-программный прототип интегрированной бортовой системы в двух вариантах, реализованные в виде программных комплексов открытой архитектуры в среде Delphi и C++;
11) Создан программный комплекс, обеспечивающий имитацию процесса функционирования бортового интегрированного комплекса во внешней среде, с учетом характера подстилающей поверхности, влияния помех, ветра и вариаций плотности атмосферы;
проведено имитационное моделирование процесса работы функционально¬программного прототипа при различных условиях интеграции и различном уровне деградации комплекса, доказывающее удовлетворительную точность получаемого навигационного решения для осуществления автоматического МВП, в том числе в условиях действия активных помех