Метод эталонных разностей фаз в определении пространственной ориентации высокодинамичных объектов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.04, кандидат наук Давыденко, Антон Сергеевич

• Давыденко, Антон Сергеевич
• кандидат наук
• 2017

Оглавление диссертации кандидат наук Давыденко, Антон Сергеевич

Содержание

Содержание

Список сокращений

Список обозначений

Введение

1 Определение пространственной ориентации высокодинамичных объектов

1. 1 Задача определения пространственной ориентации

1.2 Особенности определения пространственной ориентации высокодинамичных объектов

1.3 Методы определения пространственной ориентации

1.3.1 Инерциальные методы

1.3.2 Интерферометрические методы

1.4 Обработка навигационных сигналов в интерферометрических методах

1.4.1 Параметры движения объекта

1.4.2 Сигналы, используемые в навигационных системах

1.4.3 Оценка разности фаз сигналов

1.4.4 Квадратурный метод измерения разности фаз

1.5 Цель и задачи работы

2 Метод эталонных разностей фаз

2.1 Общее описание метода эталонных разностей фаз

2.1.1 Процедуры вычисления разности фаз

2.1.2 Плоскостная модель

2.1.3 Пространственная модель

2.2 Устранение фазовой неопределенности

2.2.1 Фазовая неопределённость для одного вектора-базы

2.2.2 Многоантенные системы

2.2.3 Системы с несколькими источниками сигналов

2.2.4 Совмещенные системы

2.3 Точность определения положения объекта в пространстве

2.3.1 Точность определения угла курса

2.3.2 Влияние шага сканирования на точность определения углов

2.4 Вычислительные затраты при использовании метода эталонных разностей фаз

2.5 Выводы

3 Повышение точности пространственной ориентации объекта при доплеровском смещении частоты принимаемого колебания

3.1 Применение метода эталонных разностей фаз при доплеровском смещении частоты

3.1.1 Движение объекта в одной плоскости по окружности

3.1.2. Маневрирование объекта вокруг осей вращения

3.2 Влияние доплеровского смещения частоты на вероятность грубой ошибки

3.3 Методики снижения влияния доплеровского смещения частоты на точность определения углов поворота объекта

3.3.1 Методика прогнозирования величины частотной отстройки

3.3.2 Методика компенсации доплеровского смещения частоты за счёт увеличения числа источников излучения

3.3.3 Методика компенсации доплеровское смещение частоты за счёт расположения источников излучения

3.3.4 Методика компенсации доплеровское смещение частоты за счёт

увеличения числа векторов-баз

3.4 Выводы

4 Оценка вероятностных характеристик многоканального устройства определения пространственной ориентации

4.1 Структура и описание работы имитационной модели

4.2 Моделирование работы метода координат вектора-базы

4.3 Моделирование работы метода эталонных разностей фаз

4.4 Оценка требуемых вычислительных ресурсов

4.5 Оценки вероятностных характеристик

4.5.1 Распределение функции среднего отклонения при отсутствии доплеровского смещения частоты

4.5.2 Глобальный минимум и побочные (ложные) минимумы

4.6 Выводы

5 Экспериментальные исследования цифрового многоканального устройства определения пространственной ориентации

5.1 Описание цифрового многоканального устройства

5.2 Реализация канала цифровой обработки сигналов

5.2.1 Экспериментальный образец

5.2.2 Измерительный стенд

5.3 Измерение вероятностных характеристик

5.4 Выводы

Заключение

Список литературы

Список сокращений

АЦП - аналого-цифровой преобразователь;

АЭ - антенный элемент;

АР - антенная решётка;

БЛА - беспилотный летательный аппарат;

БИНС - бесплатформенные ИНС;

ВОГ - волоконно-оптический гироскоп;

ГНСС - глобальные навигационные спутниковые системы;

ИНС - инерциальная навигационная система;

ЛА - летательный аппарат;

ЛГ - лазерный гироскоп;

ЛКГ - лазерно-кольцевой гироскоп;

НП - навигационный приёмник

НКА - навигационный космический аппарат;

МИНС - малогабаритная инерциальная навигационная система;

МЭР - метод эталонных разностей фаз;

ОКГ - оптический квантовый генератор;

ПЧ - промежуточная частота;

ПИНС - платформенные ИНС;

ПЛИС - программируемая логическая интегральная схема;

ПСП - псевдослучайная последовательность

СНС - спутниковые навигационные системы;

РПУ - радиоприёмное устройство;

ЦСП - цифровой сигнальный процессор;

Список обозначений

А - 1ый антенный элемент;

А - вектор-база, образованный из антенных элементов Л1 и Л.; Хфу^у - координаты вектора-базы Л.; й, В - длина вектора-базы;

а , в, у - соответственно угол курса, тангажа и крена; S - количество источников сигнала;

ср1мл - измеренная фаза сигнала, принятого антенным элементом Ai от я, источника сигнала;

Аризм/ - разность фаз измеренных сигналов для вектора-базы Л1];

Щ - набег волны для вектора-базы Л.;

Ар1.у - рассчитанная (эталонная) разность фаз сигналов;

Арр - отклонение;

—^

Ар. - среднее отклонение;

Я- длина волны сигнала от источника;

/ - азимут направления на источник сигнала;

п - угол места направления на источник сигнала;

kx, ky, kz - направляющие косинусы;

х^) - смесь полезного сигнала и аддитивного шума;

) - полезный сигнал; п^)- аддитивный канальный шум;

т

Е = | я2(г )& - энергия сигнала;

0

р - неизвестная начальная фаза высокочастотного колебания; Т- длительность полезного сигнала;

К=Ш0

- отношение сигнал/шум при измерении фазы колебания; V - скорость перемещения объекта.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Метод эталонных разностей фаз в определении пространственной ориентации высокодинамичных объектов»

Введение

Решение задачи пространственной ориентации объекта в трехмерной системе координат требуется, например, для определения положения автомобилей, кораблей и летательных аппаратов, в том числе беспилотных [1-2].

Основные усилия при ее решении направлены на поиск методов повышения быстродействия и точности при определении угловых координат объекта. В частности, повышение быстродействия определения угловых координат требуется для таких высокодинамичных объектов, как малые беспилотные летательные аппараты (БЛА) [3-5], подверженные при своем движении влиянию ветровой нагрузки (боковой снос и качание БЛА), доплеровскому смещению частоты при круговых траекториях движения и пр. Решение задачи повышения быстродействия определения пространственной ориентации объектов при сохранении высокой точности позволит обеспечить, например, электронную коррекцию передаваемых с движущихся на определенной высоте БЛА видеоизображений местности или изображений пожаров, полученных с помощью тепловых датчиков [3]. В настоящее время на БЛА широко используется аппаратура регистрации изображений с частотой более 25 кадров в секунду, что требует определения пространственной ориентации БЛА и координат с частотой не менее 25Гц.

Другим примером системы, где требуется решение задачи повышения быстродействия определения пространственной ориентации, является система передачи данных в Ки диапазоне частот с борта самолета (в том числе беспилотного) на геостационарный спутник. Ширина диаграммы направленности луча антенны (на борту самолета) составляет от 1,50 до 40 при точности наведения не хуже 10% от ширины диаграммы направленности, т.е. от 0,150. Самолёт при совершении манёвра (например, движение по окружности) может менять угол крена со скоростью около 30°-40° в секунду. При скорости изменения угла 400 в секунду отследить изменение этого угла с точностью 0,1°, чтобы не потерять связь со спутником, можно только при частоте получения информации об угле

крена не ниже, чем 400Гц. Это накладывает серьезные ограничения на скорость работы бортовой навигационной системы самолета.

Расположение объекта в пространстве в определенной системе координат характеризуется пространственным углом [6,7]. Для его определения могут быть использованы инерциальные системы [13-22], в состав которых входят датчики линейного ускорения (акселерометры) и угловой скорости (гироскопы или пары акселерометров, измеряющих центробежное ускорение). С их помощью можно определить отклонение связанной с корпусом объекта системы координат от системы координат, связанной с Землёй. Линейное отклонение координат в виде широты, долготы и высоты определяется путём интегрирования показаний акселерометров. Одним из недостатков таких систем является то, что их необходимо настраивать (выставлять) не только по скорости и местоположению, но и по пространственному положению (ориентации относительно заданной базы, например горизонта) [19]. Процесс выставления занимает несколько минут или более. Другим недостатком является то, что ее ошибка со временем накапливается. Это обусловлено интегрирующим действием самой системы. Скорость вычисляется интегрированием ускорения, и постоянная ошибка ускорения преобразуется в непрерывно нарастающую ошибку скорости. В связи с ошибками гироскопа возникают ошибки направления при измерении кажущегося ускорения и ускорения свободного падения, что тоже приводит к нарастанию дополнительных ошибок.

При использовании интерферометрических методов определения пространственной ориентации объектов [23-37] широко применяются сигналы навигационных космических аппаратов (НКА), а одно- и многобазовые интерферометры строятся на основе приемных антенных решёток (АР). Основным преимуществом использования таких сигналов является достаточное количество «видимых» НКА практически в любой точке Земли. Под «видимыми» понимаются НКА, сигналы которых с необходимым отношением сигнал/шум могут быть приняты в данной точке. При этом контроль и обслуживание данных источников является одной из стратегических задач государства и выполняется

независимо от пользователей. При использовании интерферометрических методов одной из основных проблем является неоднозначность измерения фазовых сдвигов сигналов на антенных элементах (АЭ).

Быстродействие и точность определения ориентации зависят от многих факторов: от количества опорных источников излучения сигналов радионавигационных систем, уровня аддитивных канальных помех, от числа элементов в приемной антенной решётке, её топологии, наличия доплеровского смещения частоты, быстродействия работы вычислительного бортового устройства и др.

Один из известных способов определения пространственной ориентации объекта по сигналам НКА основан на решении систем линейных уравнений для определения координат АЭ, которые образуют вектор-базы относительно одного опорного [23]. При использовании такого метода определения координат вектора-базы прежде всего выбирается начальное состояние с минимальным числом источников излучения. Начальный набор решений составляется перебором всех возможных комбинаций фазовой неоднозначности [24], каждая из которых затем проверяется путем решения уравнений по числу источников излучения. При этом производится отбраковка ложных результатов по критерию максимального правдоподобия. Недостатком данного метода является существенная зависимость вычислительных затрат от количества АЭ и расстояния между ними, что значительно ограничивает быстродействие при оценке пространственной ориентации реальными цифровыми приемными устройствами, расположенными на объекте. Данный способ при использовании, например, трех источников излучения обеспечивает среднеквадратическую погрешность измерения пространственного угла не более 0,3° при длине вектора - базы 0,7м. При увеличении расстояния между АЭ до 2 метров погрешность измерения составляет 0,1°[5].

В [26-27] описан двухэтапный метод определения пространственной ориентации по сигналам спутниковых навигационных систем. На первом этапе определяется разность фаз сигналов, принимаемых разнесёнными антеннами, а на

втором из измеренных разностей фаз определяются углы ориентации объекта. В то же время показано[27], что наиболее перспективными методами являются одноэтапные, так как они позволяют повысить точность и помехоустойчивость по сравнению с двухэтапными. Предложен метод одноэтапного когерентно-некогерентного оценивания угловой ориентации объекта по сигналам НКА[29] и основанный на использовании прямой функциональной зависимости между измеренными разностями фаз принимаемых сигналов НКА на различных АЭ и пространственным положением объекта. В данном методе формируется вектор измерений для однозначных разностей фаз по всем векторам-базам и всем видимым источникам сигнала. В соответствии с методом максимального правдоподобия составляется условие нахождения оптимальной оценки, которое решается итерационным способом. На основе приведённых результатов моделирования [27] можно сделать вывод, что данный метод при расстоянии между АЭ 1,5 м позволяет получить погрешность измерения углов ориентации 0.01°.

На основе анализа литературы по описанным методам затруднительно сделать вывод о быстродействии. При помощи имитационного моделирования, подробное описание которого будет представлено в разделе 5 данной работы, для метода координат вектора-базы было получено, что частота выдачи решений (при точности не более 0.2°) может быть не более 300 Гц даже при использовании современных импортных вычислительных модулей.

В настоящее время активно развиваются фазовые методы вычисления относительных координат объектов, которые в частном случае могут быть использованы и для определения пространственной ориентации[33-37]. Особенностью этих методов является то, что приём сигнала с каждой антенны выполняется отдельным (одноканальным) малогабаритным навигационным приёмником (НП), способным выдавать «сырой» навигационный сигнал (фазу несущей). Принцип работы методов заключается в том, что при помощи НП вычисляются координаты (х,у,2) всех антенн относительно одной опорной. Далее уже из этой информации определяется пространственная ориентация объекта.

Как и рассмотренные ранее, данные методы также нуждаются в разрешении фазовых неоднозначностей, которые возникают при использовании больших расстояний между антеннами. В литературе описывается множество методов для устранения фазовых неоднозначностей. К таким методам могут быть отнесены следующие: LSAST, FARA, LAMBDA, FASF и OMEGA[34-37]. Наиболее широко используется LAMBDA-метод. Дополнительно к этому необходимо учитывать тот факт, что у каждого НП свой опорный генератор. В этом случае необходимо использовать дополнительные алгоритмы для синхронизации работы системы.

Одним из самых известных примеров использования LAMBDA-метода при определении относительных координат является одномоментный метод Real Time Kinematic (RTK), который позволяет получать достаточно высокую вероятность правильного разрешения неоднозначности при использовании не менее чем 11 HKA[34], что нетрудно получить при приёме сигналов одновременно от двух навигационных систем: ^OHACC и GPS.

Следует отметить, что при использовании широкодоступных дешёвых НП, а именно в этом случае данные методы особенно перспективны, частота выдачи навигационного решения определяется в первую очередь возможностью самого НП выдавать сырые данные и в настоящее время не превышает 10Гц, что накладывает ограничения на область применения данных технических решений.

Так как в основе интерферометрических методов лежит когерентный прием немодулированных колебаний от источника разнесенными антенными элементами, расположенными на объекте, то для высокодинамичных объектов необходимо учитывать доплеровское смещение частоты. В общем случае доплеровское смещение частоты, во-первых, вызвано перемещением HКA в пространстве. Для компенсации этого смещения частоты может быть использована информация о траектории и параметрах движения HКA, которая заранее известна (передаётся в навигационном сообщения в реальном времени). Во-вторых, смещение частоты возникает из-за высокодинамичного движения самого объекта относительно HКA. Данную частотную отстройку заранее

вычислить невозможно из-за отсутствия априорной информации о траектории перемещения объекта, а существующие алгоритмы автоподстройки частоты из-за их большой постоянной времени полностью компенсировать отстройку не могут, особенно при приёме широкополосных навигационных сигналов.

В диссертационной работе предложен новый метод пространственной ориентации, названный методом эталонных разностей фаз, обеспечивающий большее быстродействие при получении результата по сравнению с рассмотренными аналогичными методами и сохраняющий высокую эффективность в условиях доплеровского смещения частоты.

Основная идея этого метода заключается в том, что набор измеренных фазовых сдвигов на всех АЭ, образующих АР, последовательно сравнивается с заранее подготовленными (эталонными) наборами фазовых сдвигов для всех возможных пространственных положений АР. В качестве решения выбираются углы положения АР, при которых эталонный набор фазовых сдвигов по тому или иному критерию близок к измеренному набору. При этом наиболее трудоёмкие с точки зрения объёма вычислительных ресурсов операции, связанные с вычислением эталонных наборов фазовых сдвигов, выполняются один раз, а их результат сохраняется в памяти устройства. За счёт чего достигается существенное сокращение объема вычислений, что особенно важно при работе вычислительного устройства, установленного на высокодинамичных объектах.

Важность практического решения задачи определения пространственной ориентации объектов накладывает высокие требования к разработке конкретного экспериментального устройства оценки параметров радиосигналов, реализации цифрового измерителя разности фаз и экспериментальному определению точности пространственной ориентации объекта в условиях доплеровского смещения частоты. В рамках диссертационной работы изготовлено цифровое устройство определения пространственной ориентации объекта, и выполнен большой объем экспериментальных исследований по определению точностных характеристик. При изготовлении устройства элементная база выбиралась с учётом ограничений для малогабаритных БЛА: потребляемая электроэнергия,

масса-габаритные характеристики, условия эксплуатации. Результаты этих исследований воплощены в реальные образцы аппаратуры, которые доведены до стадии серийного производства с учётом опыта, полученного в ходе эксплуатации на таких носителях как: БЛА, вертолёт КА-226, дирижабль Аи-30, различный автотранспорт. На основные разработанные методы получено четыре патента.

Объектом исследования в работе является метод эталонных разностей фаз и устройства определения пространственной ориентации объекта, в том числе при наличии доплеровского смещения частоты.

Предметом исследования является быстродействие определения пространственной ориентации высокодинамичных объектов при сохранении высокой точности в условиях доплеровского смещения частоты.

Целью работы является повышение быстродействия определения пространственной ориентации высокодинамичных объектов при сохранении высокой точности на основе использования предложенного в работе метода эталонных разностей фаз в условиях доплеровского смещения частоты.

Для достижения данной цели в работе решаются следующие задачи:

• Разработка метода эталонных разностей фаз для повышения быстродействия определения пространственной ориентации объектов при приеме радиосигналов многобазовыми интерферометрами в условиях доплеровского смещения частоты.

• Разработка имитационной модели для исследования особенностей работы всех составляющих метода эталонных разностей фаз с учётом характеристик современной элементной базы.

• Исследование быстродействия определения пространственного положения объектов методом эталонных разностей фаз в условиях доплеровского смещения частоты при реализации на современной элементной базе.

• Исследование точности определения пространственного положения объектов методом эталонных разностей фаз в условиях доплеровского смещения частоты.

• Разработка и построение экспериментального цифрового приемного

устройства на базе сигнальных процессоров и программируемых логических интегральных схем, реализующего метод эталонных разностей фаз.

• Проведение экспериментальных исследований эффективности разработанного метода эталонных разностей фаз в реальных условиях.

Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов и заключения.

Во введении сформулирована актуальность темы диссертации, определены цель и задачи работы, приведены сведения о практическом внедрении результатов диссертации.

В первом разделе работы рассмотрены характеристики систем пространственной ориентации объектов. Обозначены основные методы, применяемые в этих системах и их особенности. Сделаны предварительные оценки быстродействия интерферометрических методов. Основной акцент сделан на использовании сигналов навигационных космических аппаратов.

Второй раздел диссертации посвящен подробному описанию нового, предложенного в работе, метода эталонных разностей фаз, позволяющего существенно повысить быстродействие и увеличить точность пространственной ориентации, в том числе и для высокодинамичных объектов. Приведены количественные соотношения быстродействия цифрового устройства пространственной ориентации и приведено сравнение с известными системами.

В третьем разделе подробно рассмотрены методы уменьшения влияния доплеровского смещения частоты на точность определения пространственной ориентации высокодинамичных объектов методом эталонных разностей фаз. Проанализирован ряд способов снижения влияния доплеровского смещения частоты на точность пространственной ориентации объектов путем использования различного числа векторов-баз, источников излучения и расположения этих источников.

Четвертый раздел работы посвящен описанию используемой в исследованиях имитационной модели. Приведена структура имитационной модели, основные элементы управления и показаны возможности визуализации

результатов измерений. Представлены результаты оценки вероятностных характеристик.

В пятом разделе подробно приводится описание экспериментального цифрового устройства пространственной ориентации на базе метода эталонных разностей фаз. Приведены результаты разработки измерительного стенда и даны экспериментальные результаты оценки точности разработанного устройства в условиях реальных каналов приема при наличии аддитивных шумов.

В заключение диссертации кратко сформулированы основные достигнутые результаты, приведены научная новизна работы, положения, выносимые на защиту, практическое внедрение и апробация работы.

1 Определение пространственной ориентации высокодинамичных объектов

1.1 Задача определения пространственной ориентации

Решение задачи определения пространственной ориентации объекта в трехмерной системе координат требуется для различных объектов: автомобилей, кораблей, летательных аппаратов (ЛА), в том числе беспилотных [1-3]. Так, например, основной задачей полёта ЛА является его вывод в заданную точку с необходимой точностью. При этом управление полётом или выполнение задач в полёте может быть обеспечено только в случае наличия информации о положении летательного аппарата в пространстве и его движении.

Положение объекта в пространстве можно однозначно описать при помощи углов Эйлера: курса, крена и тангажа (рис. 1.1).

Рис. 1.1 - Углы, описывающие положение объекта

Для навигационных измерений могут быть использованы разные технические средства [1]. Первоначально использовались магнитный компас, барометрический высотомер. Данные средства измерения имеют низкую точность и требуют больших временных затрат на получение результатов измерений. В настоящее время широко используются инерциальные средства определения пространственной ориентации, в которых применяются измерители вектора ускорения объекта относительно земли. Инерциальные средства не нуждаются во вспомогательных источниках сигнала и тем самым обеспечивают скрытность

движения объекта, но в таких устройствах ошибка накапливается со временем, поэтому инерциальные устройства, как правило, комбинируют с другим средствами измерения, позволяющими периодически компенсировать ошибки.

Задачи пространственной ориентации могут быть решены и радиотехническими средствами, которые так же обладают высокой точностью. Однако в ряде случаев эти устройства требуют установки на земле специализированных источников радиоизлучения, что облегчает создание преднамеренных радиопомех для нарушения их работы.

Из сказанного выше следует, что каждый из методов определения навигационных параметров объекта имеет свои особенности работы, которые необходимо учитывать в зависимости от условий решаемой задачи.

1.2 Особенности определения пространственной ориентации высокодинамичных объектов

Развитие БЛА, а также необходимость решения вновь возникающих задач, связанных с определением параметров движения подвижных объектов, определяют требования по точности, надёжности и быстродействию получения навигационной информации. Условия применения и функционирования манёвренных БЛА требуют повышенной точности и высокой частоты обновления информации о пространственной ориентации на всех этапах, начиная от момента включения бортовых систем или запуска БЛА и до окончания выполнения поставленной задачи. При этом главным фактором являются не значения угловой скорости и перегрузки БЛА в процессе движения, а скорость их изменения. Именно эти параметры определяют степень непредсказуемости движения объекта.

При описании движения объекта различают движение центра масс (траекторное движение) и движение объекта вокруг его центра масс. К первому виду движения, например, относится горизонтальный полет БЛА. В процессе движения вокруг центра масс БЛА может накреняться набок, задирать или опускать нос, поворачиваться влево или вправо, другими словами, может

совершать вращения вокруг центра масс. Современные БЛА могут изменять угол крена со скоростью до 50°/сек, при этом изменение угла крена происходит не только при разворотах, но в прямолинейном полёте для сохранения заданного направления движения при воздействии бокового ветра. Движение с подобными характеристиками можно назвать выскодинамичным. На рис. 1.2 представлен график зависимости угла крена БЛА «0рлан-10» на отрезке прямолинейного полёта длительностью 300 секунд в условиях бокового ветра. Можно заметить частое изменение угла крена, несмотря на заданный прямолинейный полёт.

Рис. 1.2 - Изменения угла крена БЛА при прямолинейном полёте

Время получения решения при определении пространственной ориентации объекта определяется не только выбранным методом, но и особенностями реализации метода на современной программируемой элементной базе: программируемых логических интегральных схемах (ПЛИС) и цифровых сигнальных процессоров.

Решение задачи повышения быстродействия определения пространственной ориентации объектов при сохранении высокой точности позволит обеспечить, например, электронную коррекцию передаваемых с движущихся на определенной высоте БЛА видеоизображений местности или изображений пожаров,

полученных с помощью тепловых датчиков [3-4]. В настоящее время на БЛА широко используется аппаратура регистрации изображений с частотой более 25 кадров в секунду, что требует определения пространственной ориентации БЛА и координат с частотой не менее 25Гц.

Другим примером системы, где требуется решение задачи повышения быстродействия определения пространственной ориентации, является система передачи данных в Ки диапазоне частот с борта самолета (в том числе беспилотного) на геостационарный спутник. Ширина диаграммы направленности луча антенны (на борту самолета) составляет от 1,50 до 40 при точности наведения не хуже 10% от ширины диаграммы направленности, т.е. от 0,150. Самолёт при совершении манёвра (например, движение по окружности) может менять угол крена со скоростью около 30°-40° в секунду. При скорости изменения угла 400 в секунду отследить изменение этого угла с точностью 0,10, чтобы не потерять связь со спутником, можно только при частоте получения информации об угле крена не ниже, чем 400Гц. Это накладывает серьезные требования на быстродействие работы бортовой навигационной системы самолета.

1.3 Методы определения пространственной ориентации

При определении пространственной ориентации объекта используются различные методы, которые условно можно разделить на инерциальные методы и интерферометрические. Ниже будут рассмотрены особенности применения этих методов, предложен новый метод пространственной ориентации объекта, базовые алгоритмы приема сигналов, поставлены цель и задачи работы.

1.3.1 Инерциальные методы

Инерциальные навигационные системы (ИНС) широко используются в различных областях техники: в авиации, в космических отраслях, в судах для навигации и в том числе для автоматического управления движением; в артиллерии для стабилизации орудий на выбранном направлении, особенно при движении носителя, на котором оно установлено. С начала развития космической

отрасли гироскопы успешно применяются в системах стабилизации и управления искусственных спутников и космических летательных аппаратов.

ИНС применяются для определения трех координат движения в навигационной системе координат и трех координат пространственного положения объекта в опорной системе. При использовании этого метода угловая ориентация объекта осуществляется на основе измерения и интегрирования его ускорения [13-22].

Основными характеристиками данных устройств являются точность, диапазон измерений, габариты и время готовности к работе. Существует два типа построения ИНС: платформенные - все чувствительные элементы установлены на объекте, стабилизированной в плоскости горизонта, и бесплатформенные (БИНС) - чувствительные элементы установлены на корпусе носителя, а измеренные ускорения преобразуются в требуемую систему координат.

Составными частями любой инерциальной системы пространственной ориентации объекта являются блок чувствительных элементов и вычислитель, в котором реализуется алгоритм оценки угловых координат. Точность оценки угловых координат напрямую зависит от характеристик чувствительных элементов. По конструкции чувствительные элементы можно разделить на механические, оптические и микромеханические.

Механические гироскопы в системах определения пространственной ориентации используются благодаря их свойству сохранять направление главной оси своего вращения постоянным в инерциальном пространстве. Основной характеристикой механического гироскопа является время ухода, которое измеряется в градусах в час. Данная погрешность возникает вследствие неточности и несовершенства элементов конструкции, из-за которых возникают моменты внешних сил, действующие на гироскоп и отклоняющие главную ось его вращения от заданного направления в пространстве.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Давыденко, Антон Сергеевич, 2017 год

Список литературы

1. Ориентация и навигация подвижных объектов: современные информационные технологии / Под ред. Б. С. Алёшина, К. К. Веремеенко, А. И. Черноморского. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006. - 424 с.

2. Управление и наведение беспилотных маневренных летательных аппаратов на основе современных информационных технологий / Под ред. М. Н. Красильщикова, Г. Г. Себрякова. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. - 280 с.

3. Вишняков, С. М. Оценка точности определения координат наземных объектов средствами оптико-электронного контроля на беспилотных летательных аппаратах малой дальности / С. М. Вишняков, Н. В. Фильченко // Успехи современной радиоэлектроники. - 2015. - № 7. - С. 44-49.

4. Пат. 2263327 Российская Федерация, МПК7 G01S3/14. Способ пеленгации радиосигналов и пеленгатор для его осуществления / А. В. Терентьев, П. Л. Смирнов и др. - заявл. 15.01.04; опубл. 27.10.05.

5. Пат. 2513900 Российская Федерация, МПК7 G01S3/14, G01S13/42. Способ и устройство определения координат объектов / С. М. Вишняков, А. С. Давыденко, А. Г. Митянин и др. - заявл. 06.12.12; опубл. 20.04.14.

6. Вартанесян, В. А. Радиопеленгация / В. А. Вартанесян, Э. Ш. Гойшман, М.И. Рогаткин; под ред. В. А. Стерлингова - М.: Воениздат, 1966. - 248 с.

7. Белавин, О. В. Основы радионавинации. Учебное пособие для вузов / О. В. Белавин. - 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Сов. радио, 1977. - 320 с.

8. Рембовский, А. М. Радиомониторинг - задачи, методы, средства / А.М. Рембовский, А. В. Ашихмин, В. А. Козьмин. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Горячая линия - Телеком, 2010. - 624 с.

9. Никольский, Б. А. Основы радиотехнических систем. Учебник / Б. А. Никольский. - Самара: Изд-во Самар. гос. аэрокосм. ун-та, 2013. - 469 с.

10. Корн, Г. Справочник по математике для научных работников и инженеров / Г. Корн, Т. Корн. - М.: Наука, 1974. - 832 с. Кологривов, В. Н. Эффект Доплера в

классической физике: учебно-методическое пособие по курсу Общая физика / В. Н. Кологривов. - М.: МФТИ, 2012. - 32 с.

11. А. Эйнштейн К электродинамике движущихся тел. Собрание научных трудов. Том 1. - М.: Наука, 1965, 701 с.

12. Савельев, И. В. Курс общей физики / И. В. Савельев. - 2-е изд. перераб. -М.: Наука, 1982. - 496 с.

13. Инерциальная навигация. Анализ и проектирования / под ред. К. Ф. О'Доннела. - М.: Наука, 1969. - 592 с.

14. Лукьянов, Д. П. Инерциальный навигационные системы морских объектов / Д. П. Лукьянов, А. В. Мочалов, А. А. Одинцов, И. Б. Вайсгант. - Л.: Судостроение, 1989. - 184 с.

15. Филатов, Ю. В. Волоконно-оптический гироскоп: Учебное пособие. - СПб.: СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2003. - 52 с.

16. Фридлендер, Г. О. Инерциальные системы навигации / Г. О. Фридлендер. -М.: Физико-Математической литературы, 1961. - 156 с.

17. Бромберг, П. В. Теория инерциальных систем навигации / П. В. Бромберг. -М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1979. - 296 с.

18. Основы построения бесплатформенных инерциальных навигационных систем / В. В. Матвеев, В. Я. Распопов; под общ. ред. д.т.н. В. Я. Распопова. -СПб.: ГНЦ РФ ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2009. - 280 с.

19. Гироскопические системы. Гироскопические приборы и системы: Учеб. для вузов по спец. «Гироскоп. приборы и устройства» / Д. С. Пельпор, И. А. Михалев, В. А. Бауман и др.; под ред. Д. С. Пельпора. - 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 1988. - 424 с.

20. Бранец, В. Н. Введение в теорию бесплатформенных инерциальных навигационных систем / В. Н. Бранец, И. П. Шмыглевский. - М.: Наука, 1992. -280 с.

21. Ишлинский, А. Ю. Ориентация, гироскопы и инерциальная навигация / А. Ю. Ишлинский. - М.: Наука, 1976. - 672.

22. Андреев, В.Д. Теория инерциальной навигации. Корректируемые системы /

B. Д. Андреев. - М.: Наука, 1967. - 684с.

23. Фатеев, Ю.Л. Определение угловой ориентации на основе глобальных навигационных спутниковых систем // Радиотехника, №7, 2002, - С. 51-57.

24. Фатеев, Ю.Л. Разрешение фазовой неоднозначности в однобазовой угломерной аппаратуре ГЛОНАСС/GPS // Исследовано в России, 2004. -№ 70. -

C. 792-801.

25. Методы определения навигационных параметров подвижных средств с использованием спутниковой радионавигационной системы ГЛОНАСС: монография / В. Н. Тяпкин, Е. Н. Гарин. - Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2012. -260 с.

26. Глобальная спутниковая радионавигационная система ГЛОНАСС / Под. ред. В. Н. Харисова, А. И. Петрова, В. А. Болдина. - М.: ИПРЖР, 1998. - 400 с.

27. ГЛОНАСС. Принципы построения и функционирования / Под ред. А. И. Петрова, В. Н. Харисова. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Радиотехника, 2010. - 800 с.

28. Корогодин, И. В., Перов, А. И. Синтез и анализ дискриминаторов разностей фаз сигналов, принимаемых на множестве пространственно разнесенных точек // Радиотехника. — М.: Радиотехника, 2010. — № 7. — С. 84-92.

29. Перов А. И. Одноэтапный когерентно-некогерентный алгоритм определения угловой ориентации объекта по сигналам спутниковой радионавигационной системы // Радиотехника , №9, 2014, - С. 97-105.

30. Корогодин И. В. Разработка алгоритмов обработки сигналов спутниковых навигационных систем в аппаратуре определения угловой ориентации объектов: автореф. дис. «Разработка алгоритмов обработки сигналов спутниковых навигационных систем в аппаратуре определения угловой ориентации объектов» канд. тех. наук / И. В. Корогодин. - Москва, 2013, - 20 с.

31. Радионавигационные технологии. Сб. статей. / Под ред. А. И. Перова. - М.: Радиотехника, 2015. - 144с.

32. Development of a Low-cost GPS-based Attitude Determination System / Chaochao Wang. - The University of Calgary, 2003. - 178 p.

33. Поваляев A.A. Спутниковые радионавигационные системы: время, показания часов, формирование измерений и определение относительных координат. М.: «Радиотехника», 2008. - 328 с., ил.

34. Герко С.А., Сорокина И.А. Применение приращений псевдофаз при относительных определениях движущихся объектов по сигналам ГЛОНАСС и GPS, М.: Вестник МАИ, Т. 16, №7, 2009, с. 49-56.

35. P. J. de Jonge, C. Tiberius The LAMBDA method for integer ambiguity estimation: implementation aspects. Delft Geodetic Computing Centre, The Netherlands, 1996.

36. P.J.G. Teunissen, The LAMBDA Method for the GNSS Compass, Artificial Satellites, Volume 41, Number 3, 2006, pp. 89-103.

37. C. Park, P. J. G. Teunissen A New Carrier Phase Ambiguity Estimation

for GNSS Attitude Determination Systems. In: Proceedings of international GPS/GNSS symposium, Tokyo.

38. Ильин, В. А. Аналитическая геометрия: Учеб. Для вузов / В. А. Ильин, Э. Г. Позняк. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004. - 224 с.

39. Соловьёв, Ю. А. Системы спутниковой навигации / Ю. А. Соловьёв. - М.: Эко-Трендз, 2000. - 270 с.

40. Яценков, В.С. Основы спутниковой навигации / В. С. Яценков. -М.: Горячая линия-Телеком, 2005. - 272 с.

41. Understanding GPS: principles and applications / E. Kaplan, C. Hegarty. - 2nd ed. - London: Artech House, 2006. - 723 p.

42. Essentials of Satellite Navigation. Theory and Principles Systems and Applications Overview / u-blox AG. - Электрон. дан. - Режим доступа: https://www.u-blox.com/sites/default/files/gps_compendiumgps-x-02007.pdf

43. Генике, А. А. Глобальные спутниковые системы определения местоположения и их применение в геодезии / А. А. Генике, Г. Г. Побединский. -2-е изд., перераб. и доп. - М.: Картгеоцентр, 2004. - 255 с.

44. Серапинас, Б. Б. Глобальные системы позиционирования: Учеб. изд. / Б. Б. Серапинас. - 3-е изд. испр. и доп. - М.: ИКФ «Каталог», 2002. - 106 с.

45. Introduction to GPS. The Global Positioning System / Ahmed El-Rabbany. -London: Artech House, 2002. - 194.

46. BeiDou Navigation Satellite System. Signal In Space. Interface Control Document / China Satellite Navigation Office. - Электрон. дан. - Режим доступа: http: //en.beidou. gov. cn/.

47. European GNSS (Galileo). Signal In Space. Interface Control Document / Luxembourg: Publications Office of the European Union. - Электрон. дан. - Режим доступа: http://europa.eu.

48. Глобальная навигационная спутниковая система ГЛОНАСС. Интерфейсный контрольный документ / Российский научно-исследовательский институт космического приборостроения. - Электрон. дан. - Режим доступа: ttp://www.aggf.ru/gnss/glon/ikd51ru.pdf.

49. Global positioning systems, inertial navigation, and integration / Mohinder S. Grewal, Angus P. Andrews, Chris G. Bartone. - 2d Edition, - JOHN WILEY & SONS, INC, 2007. - 554 p.

50. Leick, A. GPS satellite surveying / A. Leick. - 3rd ed. - JOHN WILEY & SONS, INC, 2004. - 399 p.

51. Варакин, Л. Е. Теория сложных сигналов / Л. Е. Варакин. - М.: Советское радио, 1970. - 376 с.

52. Гантмахер, В. Е. Шумоподобные сигналы. Анализ. Синтез. Обработка / В. Е. Гантмахер, Н. Е. Быстров, Д. В. Чеботарёв. - СПб.: Наука и техника, 2006. -400 с.

53. GPS Carrier-to-Noise Density / Northwood Labs LLC. - Электрон. дан. -Режим доступа: http://northwoodlabs.com/AN101 .pdf.

54. Борисов, В. И. Помехозащищённость систем радиосвязи с расширением спектра модуляцией несущей псевдослучайной последовательностью / В. И. Борсиов, В. М. Зинчук, А. Е. Лимарев и др.; под. ред. В. И. Борисова. - М.: Радио и связь, 2003. - 640 с.

55. Рахтор, Т. С. Цифровые измерения. Методы и схемотехника / Т. С. Рахтор. -М.: Техносфера, 2004. - 376.

56. Зенкович, А. В. Метрология и радиоизмерения: комплекс учебно-методических материалов Ч. 2 / А. В. Зенкович. - Н. Новгород: Нижегород. гос. тех. ун-т. им. Р. Е. Алексеева, 2008. - 77 с.

57. Христофоров, А. В. Методы измерения разности фаз электрических колебаний. Учебно-методическое пособие к специальному лабораторному практикуму для студентов старших курсов и магистрантов кафедр радиофизического направления / А. В. Христофоров, К. С. Сайкин. - Казань. КГУ, 2006. - 26 с.

58. Давыденко, А. С. Применение метода эталонной разности фаз для определения пространственной ориентации объекта / А. С. Давыденко, С. Б. Макаров // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета, Сер.: Информатика. Телекоммуникации. Управление. - 2013. - № 2 (169). - С. 39-46.

59. Ветров, Ю. В. Повышение точности пространственного позиционирования объектов за счет использования сигналов спутниковых навигационных систем / Ю.В. Ветров, А.С. Давыденко, О.В. Царик // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Информатика. Телекоммуникации. Управление. -2009. -№ 2 (76). - С. 14-20.

60. Ветров, Ю.В. Анализ влияния канального шума на определение пространственной ориентации объекта при использовании спутниковых навигационных систем / Ю.В. Ветров, А.С. Давыденко // Современные проблемы радиоэлектроники: Сб. науч. тр.; науч. ред. Г.Я. Шайдуров; отв. за вып. А.А. Левицкий. - Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2012. - С. 134-139.

61. Давыденко, А. С. Снижение влияния доплеровского сдвига частоты колебания на точность определения пространственного положения объекта / А. С. Давыденко, С. Б. Макаров // Электромагнитные волны и электронные системы. -2014. - Т. 19, № 7. - С. 24-29.

62. Давыденко, А. С. Анализ реализационных возможностей метода эквивалентной разности фаз для определения пространственной ориентации при наличии доплеровского смещения частоты / А. С. Давыденко, С. Б. Макаров // Радиотехника. - 2015. - № 9. - С. 31-38.

63. Давыденко, А. С. Повышение достоверности определения координат по сигналам глобальных навигационных спутниковых систем путем пространственно-временной обработки сигналов / А. С. Давыденко, А. П. Мелихова // Успехи современной радиоэлектроники. - 2015. - № 7. - С. 63-67.

64. Тихонов, В. М. Оптимальный приём сигналов / В. М. Тихонов. - М.: Радио и связь, 1983, - 320 с.

65. Оценка параметров радиосигналов. Методические указания к выполнению лабораторных работ / А. Д. Кречетов, В. П. Пашкевич. - СПб.:Изд-во ГУАП, 1996. - 37 с.

66. Левин, Б. Р. Теоретические основы статистической радиотехники / Б. Р. Левин. - 3-е изд. перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1989. - 656 с.

67. Гаранин, М. В. Системы и сети передачи информации: Учеб. пособие для вузов / М. В. Гаранин, В. И. Журавлёв, С. В. Кунехин. - М.: Радио и связь, 2001. -336 с.

68. Прокис, Дж. Цифровая связь. Пер. с англ. / Под. ред. Д.Д. Кловского. - М.: Радио и связь, 2000. - 800 с.

69. Липкин, И. А. Статистическая радиотехника. Теория информации и кодирования / И. А. Липкин. - М.: Вузовская книга, 2002. - 216 с.

70. Вентцель, Е. С. Теория вероятностей: Учеб. для вузов / Е. С. Вентцель. - 7-е изд. стер. - М.: Высшая школа, 2001. - 575 с.

71. Тихонов, В. И. Статистический анализ и синтез радиотехнических устройств и систем: Учеб. пособие для вузов / В. И. Тихонов, В. Н. Харисов. - М.: Радио и связь, 2004. - 608 с.

72. Фалькович, С. Е. Оценка параметров сигнала / С. Е. Фалькович, - М.: Советское радио, 1970. - 336 с.

73. Глинченко, А. С. Цифровая обработка сигналов: В 2 ч. Ч. 1, 2 / А. С. Глинченко - Красноярск: КГТУ, 2001. - 199 с.

74. Гельгор, А. Л. Общая теория связи. Проверка статистических гипотез. Оценивание параметров. Оптимальный приём сигналов: Учеб. пособие для вузов / А. Л. Гельгор, А. И. Горлов, Е. А. Попов. - СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2013. -227 с.

75. Проектирование систем цифровой и смешанной обработки сигналов / Под ред. Уолта Кестера. - М.: Техносфера, 2010. - 328 с.

76. Волвенко, С. В. Цифровой согласованный фильтр. Методические указания к лабораторной работе / С. В. Волвенко, А. С. Груздев, В. В. Исаев; под ред. С. Б. Макарова. - СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2009. - 36 с.

77. Васильев, В. Н. Компьютерная обработка сигналов в приложении к интерферометрическим системам / В. Н. Васильев, И. П. Гуров. - СПб.: БХВ -Санкт-Петербург, 1998. - 240 с.

78. Основы многоскоростной обработки сигналов: Учеб. пособие. Ч. 1 / В. В. Витязев, А. А. Зайцев. - Рязань: Рязан. гос. радиотехн. акад., 2005. - 124 с.

79. Излучение и распространение электромагнитных волн: Лабораторный практикум / В. П. Акимов, О. Б. Утробин, Д. В. Шанников. - 2-е изд. переработанное и дополненное. - Ленинград, 1991. - 99 с.

80. Лайонс, Р. Цифровая обработка сигналов / Р. Лайонс. - 2-е изд. Пер. с англ. - М. ООО «Бином-Пресс», 2006. - 656 с.

81. Гоноровский, И. С. Радиотехнические цепи и сигналы: Учебник для вузов / И. С. Гоноровский. - 4-е изд. перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1986. - 512 с.

82. Баскаков, С. И. Радиотехнические цепи и сигналы / С. И. Баскаков. - 3-е изд. перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 2000. - 408 с.

83. A Novel Approach in Detection and Characterization of CW Interference of GPS Signal Using Receiver Estimation of C/No / A. T. Balaei, A.G. Dempster and J. Barnes // IEEE, 2006. - p. 1120 - 1126.

84. Investigations of C/A Code and Carrier Measurements and Techniques for Rapid Static GPS Surveys / C. Erickson. - The University of Calgary, 1992. - 199 p.