Методы и алгоритмы субоптимальной и адаптивной обработки информации в корреляционно-экстремальных навигационных системах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.01, кандидат наук Огородников Кирилл Олегович

• Огородников Кирилл Олегович
• кандидат наук
• 2020

Оглавление диссертации кандидат наук Огородников Кирилл Олегович

ВВЕДЕНИЕ

1 АНАЛИЗ ЗАДАЧИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ ПО ГЕОФИЗИЧЕСКИМ ПОЛЯМ

1.1 Обзор публикаций по теме исследования

1.2 Принципы построения КЭНС по рельефу местности

1.2.1 Байесовский подход к оцениванию параметров

1.2.2 Фильтрация методом Калмана

1.3 Классификация КЭНС

1.3.1 Поисковые КЭНС

1.3.2 Беспоисковые КЭНС

1.3.3 Рекуррентно-поисковые КЭНС

1.4 Информационное обеспечение КЭНС

1.4.1 Ориентационные и навигационные параметры БИНС

1.4.1.1 Вычислительные алгоритмы БИНС

1.4.1.2 Уравнения ошибок БИНС

1.4.1.3 Вертикальный канал БИНС

1.4.2 Измерительная информация РВ и особенности его функционирования

1.4.3 Цифровые модели рельефа местности

Выводы

2 АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ И УСЛОВИЙ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ НА ТОЧНОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КЭНС, СИНТЕЗ МЕТОДОВ ОБРАБОТКИ НАВИГАЦИОННОЙ ИНФОРМАЦИИ

2.1 Анализ точностных характеристик рекуррентно-поискового алгоритма

2.2 Критерии достоверности в задаче рекуррентно-поискового оценивания

2.3 Методы снижения вычислительной сложности алгоритмов КЭНС

2.3.1 Оптимизация вычислений рекуррентно-поисковой КЭНС

2.3.2 Увеличение эффективности иКЕ для беспоисковой КЭНС

Выводы

3 ИССЛЕДОВАНИЕ КЭНС ПРОГРАММНО-МАТЕМАТИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ

3.1 Цифровой комплекс математического моделирования

3.2 Результаты исследования КЭНС методами математического моделирования

3.2.1 Функционирование алгоритмического обеспечения КЭНС в условиях погрешностей БИНС и ЭИ

3.2.2 Функционирование алгоритмического обеспечения КЭНС в условиях погрешностей БИНС, ЭИ и РВ

Выводы

4 РЕЗУЛЬТАТЫ ЛЕТНЫХ ИСПЫТАНИЙ

Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

СОКРАЩЕНИЯ И ОБОЗНАЧЕНИЯ

ПРИЛОЖЕНИЕ

ПРИЛОЖЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы и алгоритмы субоптимальной и адаптивной обработки информации в корреляционно-экстремальных навигационных системах»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Проблема определения географических координат в пространстве актуальна для человечества уже многие столетия. Еще с древних времен люди использовали естественные ориентиры (Солнце, Луна, звезды), указывающие направление движения. Зная приблизительное время в пути и свою среднюю скорость, человек мог определить расстояние до конечного пункта назначения. Тем не менее, применение подобного вида позиционирования во многих случаях оказывалось невозможным ввиду плохих погодных условий.

С наступлением XX века - века научно-технического прогресса - ситуация кардинально изменилась. Развитие оборудования, информационных технологий, а также приемов и методов, позволяющих вычислять географические координаты на поверхности Земли, привело к появлению первых навигационных систем -систем, предназначенных для выбора маршрута движения и определения положения. Данные средства позиционирования быстро нашли свое применение, в первую очередь, в авиационных приложениях.

Всеобщая информатизация общества привела к тому, что использование систем навигации стало важнейшим составным элементом транспортной и военной инфраструктур, а также неотъемлемой частью жизни для гражданских потребителей.

Вместе с тем, постоянное совершенствование техники предъявляло все новые и новые требования к надежности и точности средств позиционирования, вследствие чего свое развитие получила навигация по геофизическим полям -одно из наиболее стремительно прогрессирующих направлений, распространившееся примерно в 60-х гг. XX века. Именно в то время выявились возможности использования некоторых видов геофизических полей, которые ранее в навигации служили только помехами. Системы подобного типа получили название корреляционно-экстремальных навигационных систем (КЭНС) и применяются для высокоточного определения местоположения. Однако КЭНС

требуют заранее подготовленной эталонной информации (ЭИ) соответствующего геофизического поля, а алгоритмы функционирования подобных систем на этапе их становления сводились к сопоставлению наблюдаемого поля с ЭИ посредством корреляционной функции, при этом осуществлялась идентификация экстремума функции. С течением времени задача навигации по геофизическим полям стала часто рассматриваться как задача фильтрации. Тем не менее, несмотря на значительные достижения в теории КЭНС, их реализация в реальном времени во многих случаях оказывается затруднительной, т.к. требует огромных вычислительных ресурсов. Проблема невыполнимости алгоритмов КЭНС вследствие высокой вычислительной сложности накладывает некоторые ограничения на их использование, несмотря на наличие современного производительного аппаратного обеспечения [8, 19].

В настоящее время для построения навигационных комплексов беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) часто применяются бесплатформенные инерциальные навигационные системы (БИНС), наиболее полно удовлетворяющие требованиям автономности и помехозащищенности. Однако БИНС имеют один существенный недостаток - при автономном функционировании с течением времени полета происходит накопление ошибок в определении координат и вектора скорости, в связи с чем возникает задача коррекции БИНС. При движении БПЛА на малых высотах вблизи поверхности нередко используются радиометрические измерители скорости, угла сноса и высоты над поверхностью. Ошибки в определении скорости БИНС могут быть оценены непосредственно по этим измерениям, что ограничит скорость нарастания ошибок по координатам, но не устранит их. Для оценивания ошибок в определении координат БИНС могут быть использованы методы навигации по измерениям поля высот рельефа местности. Однако при наличии сбоев в работе измерителей (недостоверная информация, сопровождающаяся снятием признака достоверности), ложных данных (снятие признака достоверности не производится) и слабой информативности рельефа существующие алгоритмы

КЭНС не могут обеспечить надежной и точной коррекции, в чем заключается еще одна проблема, возникающая при реализации подобных систем [24, 35].

Таким образом, все вышесказанное позволяет утверждать, что вопросы совершенствования алгоритмического обеспечения систем, предназначенных для определения местоположения, еще долгое время не потеряют своей актуальности.

Степень разработанности темы. На данный момент накоплено большое количество методов и алгоритмов решения задачи навигации по геофизическим полям. В отечественной научной литературе исследования по части КЭНС представлены рядом трудов, подготовленных такими учеными, как Красовский А.А., Белоглазов И.Н., Чигин Г.П., Тарасенко В.П., Джанджгава Г.И., Баклицкий В.К., Щербинин В.В. и др. Существенный вклад в развитие данной тематики за рубежом внесли: Baker W., Clem R., Golden J.P., Hollowell J.A. и др. Обобщение результатов анализа и синтеза КЭНС, полученных за последние десятилетия, нашло свое отражение в работах следующих авторов: Bergman N., Karabörk A. и др.

Тем не менее, во всех известных трудах, освещающих проблемы функционирования КЭНС по рельефу местности, весьма слабо изучен вопрос воспроизведения алгоритмов данных систем при их реализации в составе малопроизводительных цифровых вычислительных машин (ЦВМ) при наличии сбоев в работе измерителей, ложных данных и недостаточной информативности рельефа.

В настоящей диссертационной работе автором сформировано алгоритмическое обеспечение КЭНС, способное оценивать горизонтальные координаты, высоту и вертикальную скорость по измерениям БИНС, радиометрического высотомера (РВ) и ЭИ о рельефе в районе осуществления навигации. В процессе выполнения диссертации разработаны критерии, позволяющие ограничить влияние ошибок в определении горизонтальной скорости, проводить оценивание в условиях сбойной информации и недостаточно информативного рельефа, а также минимизировать вероятность выдачи ложных поправок. Кроме того, в диссертационной работе рассмотрены особенности

реализации алгоритмов КЭНС, направленные на общее повышение быстродействия.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования выступает информационно-измерительная система (ИИС) БПЛА, предметом исследования являются алгоритмы определения местоположения по измерениям поля высот рельефа местности.

Область исследования соответствует следующим пунктам паспорта специальности 05.13.01 - «Системный анализ, управление и обработка информации (в науке и промышленности)»:

- пункт 3. Разработка критериев и моделей описания и оценки эффективности решения задач системного анализа, оптимизации, управления, принятия решений и обработки информации;

- пункт 4. Разработка методов и алгоритмов решения задач системного анализа, оптимизации, управления, принятия решений и обработки информации;

- пункт 5. Разработка специального математического и алгоритмического обеспечения систем анализа, оптимизации, управления, принятия решений и обработки информации.

Целью диссертационной работы является повышение летно-технических характеристик БПЛА посредством применения КЭНС, позволяющих проводить оценивание горизонтальных координат, высоты и вертикальной скорости при наличии сбоев в работе РВ, недостоверных данных и слабой информативности рельефа, минимизирующих вероятность выдачи ложных поправок, а также функционирующих в составе малопроизводительных ЦВМ.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие задачи:

- анализ существующих подходов и методов в теории КЭНС;

- анализ влияния информационного обеспечения и условий функционирования на точностные характеристики КЭНС;

- синтез критериев достоверности в составе алгоритмов КЭНС, обеспечивающих работу при недостаточно информативном рельефе и сбойной информации;

- синтез методов снижения вычислительной сложности алгоритмов КЭНС;

- экспериментальные исследования разработанного алгоритмического обеспечения КЭНС в составе цифрового комплекса математического моделирования (ЦКМ) и данных летных испытаний реальных БПЛА.

Методы исследования. При решении поставленных задач использованы принципы и методы инерциальной навигации, теории управления, теории вероятностей, линейной алгебры, математического анализа и математического моделирования, а также применена теория численных методов.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

- предложен подход к обработке навигационной информации КЭНС, отличающийся тем, что идентификация сбойных данных происходит посредством оценивания найденного решения во время проверки разработанных критериев достоверности. Кроме того, те же критерии достоверности предотвращают формирование ложных поправок при движении по недостаточно информативной траектории;

- разработано 3 метода для алгоритмов рекуррентно-поисковой КЭНС, повышающие эффективность вычислений и снижающие требования к характеристикам вычислителя. Метод 1 отличается преобразованием частоты поступающих измерений к частоте смены дискрет ЭИ, метод 2 - сокращением количества операций чтения-записи посредством проведения обработки измерений группами, накопленными за некоторый малый промежуток времени, а метод 3 - способом формирования суммы массивов квадратов невязок. Авторские права на разработанные методы защищены патентом на изобретение №2619823 «Способ коррекции координат, высоты и вертикальной скорости летательного аппарата и устройство для его осуществления»;

- предложен метод снижения вычислительной сложности ансцентного фильтра Калмана (ОКБ) для алгоритмов беспоисковой КЭНС. Метод позволяет уменьшить количество математических операций, осуществляемых при проведении ансцентного преобразования, с помощью перестановки элементов вектора состояния.

Практическая значимость работы состоит в следующем:

- теоретические решения доведены до практического использования в составе ИИС БПЛА; полученные результаты внедрены в специальное программное обеспечение (СПО) изделий, разрабатываемых ПАО «АНПП «ТЕМП-АВИА»;

- предложенные методы обработки навигационной информации КЭНС могут быть применены как при решении задач военно-промышленного комплекса, так и в гражданских приложениях; они значительно увеличивают эффективность использования существующего аппаратного обеспечения и повышают достоверность определения координат местоположения, а, следовательно, и безопасность движения БПЛА в сложных условиях.

На защиту выносятся следующие положения:

- результаты анализа влияния информационного обеспечения и условий функционирования на точностные характеристики КЭНС;

- решение задачи определения местоположения с помощью рекуррентно-поисковой КЭНС при наличии сбоев в работе РВ, ложных данных и недостаточной информативности рельефа посредством применения разработанных критериев достоверности;

- методы снижения вычислительной сложности алгоритмического обеспечения КЭНС;

- результаты исследования разработанной рекуррентно-поисковой КЭНС программно-математическими методами на ЦКМ, а также итоги летных испытаний.

Достоверность результатов диссертационной работы подтверждается корректным использованием математического аппарата, экспериментальными

исследованиями и экспертизой материалов, осуществляемой при рецензировании статей и обсуждении выступлений на научно-практических конференциях. Полученные результаты внедрены ПАО «АНПП «ТЕМП-АВИА» в состав СПО разрабатываемых изделий и успешно прошли проверку в рамках летных испытаний.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены автором и продискутированы на 2-й Всероссийской научно-технической конференции «Навигация, наведение и управление летательными аппаратами» (Москва, ГНЦ РФ ФГУП «ГосНИИАС», 2015 г.), XVIII конференции молодых ученых «Навигация и управление движением» (Санкт-Петербург, ЦНИИ «Электроприбор», 2016 г.), V Всероссийской научно-технической конференции «Радиовысотометрия-2016» (Каменск-Уральский, АО «УПКБ «Деталь», 2016 г.), XIX конференции молодых ученых «Навигация и управление движением» (Санкт-Петербург, ЦНИИ «Электроприбор», 2017 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ [26-34], в том числе 3 статьи в журналах, входящих в перечень ВАК; также по материалам диссертационной работы получен патент на изобретение №2619823 «Способ коррекции координат, высоты и вертикальной скорости летательного аппарата и устройство для его осуществления» с приоритетом от 22.12.2015 г. (Приложение 1).

Личный вклад автора. Положения и результаты, которые выносятся на защиту и составляют основное содержание данной диссертации, принадлежат лично автору или получены при его непосредственном участии. Соискателем проведен анализ влияния информационного обеспечения и условий функционирования на корректирующие поправки рекуррентно-поисковой КЭНС. Построены критерии достоверности для алгоритмов рекуррентно-поискового оценивания. Разработаны методы снижения вычислительной сложности, один из которых предполагает преобразование частоты поступающих измерений к частоте смены дискрет ЭИ, а другой подразумевает сокращение количества операций чтения-записи посредством проведения обработки измерений группами.

Осуществлено моделирование разработанного метода перестановок элементов вектора состояния, предназначенного для увеличения эффективности иКБ. Проведено исследование функционирования построенного алгоритмического обеспечения рекуррентно-поисковой КЭНС методами математического моделирования, а также проанализирована информация, полученная в ходе летных испытаний.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 72 наименования. Материал изложен на 140 страницах, содержит 128 страниц основного текста, 12 страниц приложений, 59 рисунков и 5 таблиц.

Во введении обоснована актуальность выбранной темы, сформулированы цель и задачи диссертационной работы, объект и предмет научного исследования; обозначена степень разработанности темы, указаны примененные методы исследования, научная новизна и практическая ценность полученных результатов, а также отмечены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ задачи определения местоположения по геофизическим полям. Рассмотрена классификация КЭНС и принципы их построения, а также приведен обзор литературы по исследуемой проблеме. Описан байесовский подход к оцениванию параметров и изложены идеи калмановской фильтрации. Рассмотрены достоинства и недостатки поисковых, беспоисковых и рекуррентно-поисковых алгоритмов оценивания пространственных координат. Исследованы свойства используемых в КЭНС источников информации.

Во второй главе проведен анализ влияния информационного обеспечения и условий функционирования на точностные характеристики КЭНС. Произведен синтез методов обработки навигационной информации. Разработаны критерии достоверности, которые обеспечивают функционирование рекуррентно-поисковой КЭНС в условиях сбойной информации и минимизируют вероятность выдачи ложных поправок. Приведены методы снижения вычислительной сложности алгоритмов рекуррентно-поисковой КЭНС. Рассмотрена возможность

увеличения эффективности Ц^ при его реализации в составе алгоритмов беспоисковой КЭНС.

В третьей главе проведено исследование разработанной модификации рекуррентно-поисковой КЭНС методами математического моделирования. Приведено описание ЦКМ, показаны условия проведения испытаний, в рамках которых исследована работа КЭНС, а также отображены результаты экспериментов.

В четвертой главе представлены результаты летных испытаний БПЛА, в составе которого использованы алгоритмы разработанной рекуррентно-поисковой КЭНС. Проведенные испытания подтверждают работоспособность предложенных в диссертационной работе методов в реальных условиях функционирования.

В заключении представлены основные результаты диссертационной работы.

1 АНАЛИЗ ЗАДАЧИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ ПО ГЕОФИЗИЧЕСКИМ ПОЛЯМ

В данной главе проводится анализ задачи определения местоположения по геофизическим полям. Рассматривается классификация КЭНС и принципы их построения, а также приводится обзор литературы по исследуемой проблеме. Описывается байесовский подход к оцениванию параметров и излагаются идеи калмановской фильтрации. Рассматриваются достоинства и недостатки поисковых, беспоисковых и рекуррентно-поисковых алгоритмов оценивания пространственных координат. Исследуются свойства используемых в КЭНС источников информации.

1.1 Обзор публикаций по теме исследования

Фундамент отечественной научной базы для разработки и построения алгоритмов навигации по геофизическим полям был заложен в середине XX века. Тогда же появились и первые труды, описывавшие специфику функционирования КЭНС.

Так, в работах [1, 8, 19] обсуждается теория систем навигации и наведения по геофизическим полям, излагаются классификация, принципы построения КЭНС, приводятся сведения о геофизических полях. Кроме того, рассмотрено значительное число примеров алгоритмов, синтез которых осуществляется посредством общих и специальных методов теории оптимального оценивания, идентификации и управления; также представлены результаты аналитических и численных исследований функционирования вышеуказанных алгоритмов.

В работе [7] рассматриваются методы обработки пространственно-временных сигналов, большое внимание уделяется оптимальным и квазиоптимальным алгоритмам фильтрации оптического и радиолокационного полей. Кроме этого, в рамках данной монографии представлены способы

сокращения вычислений, используемые при реализации квазиоптимальных алгоритмов. В частности, выделяется 2 основных приема, направленных на уменьшение объема вычислений при проведении корреляционной обработки в тех случаях, когда информация снимается с участка площади земной поверхности. Первый из них определяется снижением информативности самих изображений при отсутствии помех и избыточности данных. Второй метод заключается в выборе типа критериальной функции, т.е. характеристики, определяющей степень сходства сравниваемых изображений. Систематизация критериальных функций позволила авторам объединить их в 5 следующих групп: корреляционные, разностные, спектральные, парные и ранговые. В основе корреляционных критериальных функций лежит расчет взаимной корреляционной функции случайных процессов, но их ключевым недостатком является высокая вычислительная сложность. Разностные критериальные функции по сравнению с корреляционными позволяют повысить эффективность расчетов в 4-10 раз в связи с тем, что в них не используется операция умножения. Спектральные критериальные функции сокращают вычислительную сложность разрабатываемых алгоритмов за счет использования быстрого преобразования Фурье. Парные критериальные функции получили наибольшее распространение в алгоритмах, где применяются бинарные изображения. Ранговые критериальные функции предполагают упорядочивание элементов изображений по интенсивности (по возрастанию или убыванию), что также влияет на вычислительную сложность. Такое многообразие критериальных функций говорит о том, что ни одна из них не является универсальной, а отсутствие формализованного способа выбора того или иного типа функции позволяет осуществлять синтез квазиоптимальных алгоритмов только эвристическим способом.

Анализ научных трудов последних лет по данной тематике показывает, что исследователями намечена тенденция активного развития основ автономной высокоточной навигации с коррекцией местоположения при помощи КЭНС, заложенных в советское время.

Так, работа [6] помимо основных положений теории фильтрации пространственно-временных сигналов, описанных в [7], содержит материалы по комплексному наблюдению в КЭНС, когда отслеживание ориентиров проводится как с помощью электромагнитных сигналов в различных участках спектра, так и при помощи полей другой физической природы. Кроме того, в монографии представлены сведения по зарубежным системам корреляционно-экстремальной навигации и наведения, показаны принципы функционирования и их основное назначение.

Работа [47] посвящена вопросам синтеза КЭНС, рассматривается их место в общей идеологии систем управления. Авторы полагают, что одним из перспективных направлений развития корреляционно-экстремальной тематики является применение новых подходов к построению систем автоматического управления. Предлагается разрабатывать системы с изменяемой структурой, что позволит эффективно решать различные задачи посредством перенастройки алгоритмов управления как перед началом работы, так и в процессе функционирования системы. Кроме этого, авторами проводятся исследования по части помехоустойчивости, основная суть которых сводится к определению условий корректного функционирования КЭНС. В случае, если число совпадающих элементов изображений превышает число несовпадающих

элементов Мнэ, то минимум вероятности сбоя КЭНС достигается при идеальной форме взаимной корреляционной функции, когда отношение значений главного к побочному максимуму максимально. В противном случае, минимум вероятности сбоя достигается при , обеспечивающем наибольшее значение разности амплитуд главного и побочного максимумов.

Также в данной монографии рассказывается о перспективах применения корреляционного анализа в современной навигационной технике.

В работе [51] говорится о том, что КЭНС (в частности, функционирующие по полю оптического контраста), имеют существенные ограничения в применении по времени использования эталонного изображения, всепогодности,

а также степени антропогенного воздействия на местность в районе проведения полетов. Отсюда возникает задача разработки КЭНС, устойчивых к нестабильности геофизических полей и воздействию помех, для решения которой большое внимание уделяется методике формирования информативного параметра геофизического поля и предлагается рассматривать его как векторную величину. Векторная форма информативного параметра должна синтезироваться с учетом влияния свойственных рассматриваемому геофизическому полю факторов нестабильности и помех, т.к. принимаемый датчиком КЭНС сигнал содержит значительное количество информации, характеризующей его поляризацию и энергетический спектр. Векторный вид информативного параметра, как считает автор, позволяет существенно ограничить влияние возмущений различного рода посредством их идентификации на текущем изображении и исключения из последующей обработки.

В статье [35] рассказывается о подходе к реализации алгоритмического обеспечения поисковой КЭНС, который заключается в использовании критериев, позволяющих повысить точность определения местоположения БПЛА. Основное содержание полученных авторами результатов сводится к следующим положениям:

- гипотеза считается достоверной, если невязка измеренной величины и реализации поля для гипотезы с минимальным числовым значением не превышает некоторую пороговую величину dHзaд, выбор которой определен следующими выражениями:

б.Нзад = 20м, сгполя < 70 бНзад = 40м, 70 < &поля < 120

йН зад = 70 м,120 < а поля < 200, ( . )

йНад = 100м, > 200

а =

поля

1

N N /

^ ( тх - НкаНа ] )

''=^=0 -, (1.2)

N ■ N

N ,N

^ Hkartat

т = ^^-, (1.3)

х N ■ N ( )

где споля - среднеквадратическое отклонение (СКО) высот; ИкаНа^ - двумерный массив высот рельефа;

N - длина массива по каждой из осей;

- поле высот рельефа рассматриваемой области полетов считается подходящим для навигации по соотношению сигнал/шум при условии:

С'пош > 1, (1.4)

(7

а =^2к +о-2_п +a2SHр , С1-5)

где сг„ - обобщенное СКО ошибки измерения поля; ет_к ~ СКО ошибки ЭИ;

а- СКО ошибки, обусловленной шагом дискретизации;

а - СКО ошибки РВ;

°H p '

- решение о проведении коррекции принимается по итогам сравнения величин фактически пройденного пути Lp и заданного значения пути Lpz, которое рассчитывается следующим образом:

rLp = 20000м, а < 40

i z ? поля

Lp = 15000м, 40 < 70 . (1.6)

z поля

Lpz = 10000м, > 70

Зарубежные литературные источники, по большей мере, раскрывают различные вариации подходов к определению местоположения при помощи КЭНС.

Так, появление первых трудов по КЭНС за рубежом восходит к концу 50-х гг. XX века, когда в США была разработана система Terrain Contour Matching (TERCOM) - один из самых ранних способов решения проблемы коррекции траектории движения, ориентированный, в первую очередь, на применение в

составе навигационных комплексов редко маневрирующих БПЛА. Механизм функционирования системы TERCOM [6, 8, 54, 61, 68] сводится к сравнению предварительно подготовленной карты местности и измерений, получаемых во время полета с помощью РВ и барометрического высотомера. Процедура сопоставления представляет собой минимизацию абсолютной разности, и при нахождении наиболее похожего профиля определяется истинное местоположение БПЛА. TERCOM существенно расширяет функциональные возможности навигационных комплексов, в том числе, позволяет обеспечить эксплуатацию БПЛА на малых высотах для затруднения обнаружения наземными радиолокационными станциями.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Огородников Кирилл Олегович, 2020 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Алексеев В.И. Экстремальная радионавигация / В.И. Алексеев, А.М. Кориков, Р.И. Полонников, В.П. Тарасенко - М.: Наука, гл. ред. физ.-мат. лит., 1978. - 280 с.

2. Алешин Б.С. Ориентация и навигация подвижных объектов: современные информационные технологии / Б.С. Алешин, А.А. Афонин, К.К. Веремеенко, Б.В. Кошелев и др. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006. - 424 с.

3. Антимиров, В.М. Разработка базового алгоритма подсистемы коррекции по геофизическим полям / В.М. Антимиров // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета. - 2007, №1. - С. 130-137.

4. Андреев, В.Д. Теория инерциальной навигации. Автономные системы / В.Д. Андреев - М.: Наука, гл. ред. физ.-мат. лит., 1966. - 579 с.

5. Бабич, О.А. Обработка информации в навигационных комплексах / О.А. Бабич - М.: Машиностроение, 1991. - 512 с.

6. Баклицкий, В.К. Корреляционно-экстремальные методы навигации и наведения / В.К. Баклицкий - Тверь: ТО «Книжный клуб», 2009. - 360 с.

7. Баклицкий, В.К. Методы фильтрации сигналов в корреляционно-экстремальных системах навигации / В.К. Баклицкий, А.М. Бочкарев, М.П. Мусьянов - М.: Радио и связь, 1986. - 216 с.

8. Белоглазов, И.Н. Основы навигации по геофизическим полям / И.Н. Белоглазов, Г.И. Джанджгава, Г.П. Чигин - М.: Наука, гл. ред. физ.-мат. лит., 1985. - 328 с.

9. Белоглазов, И.Н. Рекуррентно-поисковое оценивание и синтез алгоритмов корреляционно-экстремальных навигационных систем / И.Н. Белоглазов, А.С. Ермилов, Г.И. Карпенко // Автоматика и телемеханика. -1979, №7. - С. 68-79.

10. Браславский, Д.А. Авиационные приборы и автоматы / Д.А. Браславский, С.С. Логунгов, Д.С. Пельпор - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1978. - 432 с.

11. Голован, А. А. Математические основы навигационных систем. Часть

I. Математические модели инерциальной навигации / А.А. Голован, Н.А. Парусников - М.: МАКС Пресс, 2011. - 136 с.

12. Голован, А. А. Математические основы навигационных систем. Часть

II. Приложения методов оптимального оценивания к задачам навигации / А.А. Голован, Н.А. Парусников - М.: МАКС Пресс, 2012. - 172 с.

13. Давыдов, П.С. Радионавигационные системы летательных аппаратов / П.С. Давыдов, Г.В. Кащеев, В.В. Криницин, В.С. Уваров, И.Н. Хресин - М.: «Транспорт», 1980. - 448 с.

14. Джанджгава, Г.И. Навигация и наведение по пространственным геофизическим полям / Г.И. Джанджгава, Г.И. Герасимов, Л.И. Августов // Известия ЮФУ. Технические науки. - 2013. №3 (140). - С. 74-84.

15. Журкин И.Г. Геоинформационные системы / И.Г. Журкин, С.В. Шайтура - М.: КУДИЦ-ПРЕСС, 2009. - 272 с.

16. Закатов, П.С. Курс высшей геодезии / П.С. Закатов - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Недра, 1976. - 511 с.

17. Коростелев, А.А. Теоретические основы радиолокации /

A.А. Коростелев, Н.Ф. Клюев, Ю.А. Мельник, А.А. Веретягин, В.А. Губин,

B.Е. Дулевич, Ю.С. Зиновьев, А.В. Петров - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Сов. радио, 1978. - 608 с.

18. Костенко, Г.И. Способ коррекции координат, высоты и вертикальной скорости летательного аппарата и устройство для его осуществления / Г.И. Костенко, А.Ю. Мишин, Р.В. Белов // Патент на изобретение №2547158, зарегистрирован 10.04.15, бюл. №10.

19. Красовский, А.А. Теория корреляционно-экстремальных навигационных систем / А.А. Красовский, И.Н. Белоглазов, Г.П. Чигин - М.: Наука, гл. ред. физ.-мат. лит., 1979. - 448 с.

20. Кузовков, Н.Т. Инерциальная навигация и оптимальная фильтрация / Н.Т. Кузовков, О.С. Салычев - М.: Машиностроение, 1982. - 216 с.

21. Ллойд, Э. Справочник по прикладной статистике. Том. 1 / Э. Ллойд, У. Ледерман, Ю.Н. Тюрин - М.: Финансы и статистика, 1989. - 510 с.

22. Ллойд, Э. Справочник по прикладной статистике. Том. 2 / Э. Ллойд, У. Ледерман, С.А. Айвазян, Ю.Н. Тюрин - М.: Финансы и статистика, 1990. - 526 с.

23. Медич, Дж. Статиситически оптимальные линейные оценки и управление / Дж. Медич - М.: «Энергия», 1973. - 440 с.

24. Наумов, А.И. Бортовой комплекс высокоточной навигации с корреляционно-экстремальной навигационной системой и цифровой картой рельефа местности / А.И. Наумов, Е.К. Кичигин, И.А. Сафонов, Мох Ахмед Медани Ахмед Эламин // Вестник ВГТУ - 2013. Т. 9. № 6-1 - С. 5155.

25. Наумов, А.И. Принятие решения о коррекции координат системой навигации по геофизическому полю в условиях постоянных ошибок измерения / А.И. Наумов // Научный вестник МГТУ ГА - 2012. №185 - С. 118-123.

26. Огородников, К.О. Алгоритм корреляционно-экстремальной навигационной системы по рельефу местности / Р.В. Белов, К.О. Огородников // Вторая Всероссийская научно-техническая конференция «Навигация, наведение и управление летательными аппаратами». Тезисы докладов. - М.: ООО «Научтехлитиздат», 2015. - С. 210-211.

27. Огородников, К.О. Анализ точности нахождения координат местоположения в корреляционно-экстремальных навигационных системах по рельефу местности / К.О. Огородников // Управление большими системами. Сборник трудов. - М.: ИПУ РАН, 2019. №80. - С. 116-134.

28. Огородников, К.О. Исследование перестановок элементов вектора состояния для увеличения эффективности ансцентного фильтра Калмана / Р.В. Белов, К.О. Огородников // Материалы XIX конференции молодых ученых «Навигация и управление движением». - СПб.: ГНЦ РФ АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2017. - С. 143-145.

29. Огородников, К.О. К вопросу коррекции параметров движения с использованием КЭНС по полю рельефа местности / Р.В. Белов, К.О. Огородников // Точно в цель. Корпоративный журнал. - М.: ООО Издательский Дом «Медиа Центр», 2019. №3 (19). - С. 40-47.

30. Огородников, К.О. Корреляционно-экстремальная навигационная система по рельефу местности / Р.В. Белов, К.О. Огородников // Радиовысотометрия-2016: Сборник трудов Пятой Всероссийской научно-технической конференции. - Екатеринбург: Форт Диалог-Исеть, 2016. - С. 73-77.

31. Огородников, К.О. Метод снижения вычислительной сложности ансцентного фильтра Калмана / Р.В. Белов, Д.А. Кляпнев, К.О. Огородников // Труды НГТУ им. Р.Е. Алексеева. - Нижний Новгород, 2019. №1 (124). - С. 17-23.

32. Огородников, К.О. Повышение производительности алгоритма корреляционно-экстремальной навигационной системы / Р.В. Белов, К.О. Огородников // Материалы XVIII конференции молодых ученых «Навигация и управление движением». - СПб.: ГНЦ РФ АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2016. - С. 363-369.

33. Огородников, К.О. Реализация модифицированного алгоритма рекуррентно-поискового оценивания корреляционно-экстремальной навигационной системы по рельефу местности / Р.В. Белов, К.О. Огородников // Управление большими системами. Сборник трудов. - М.: ИПУ РАН, 2017. №68. -С. 162-176.

34. Огородников, К.О. Способ коррекции координат, высоты и вертикальной скорости летательного аппарата и устройство для его осуществления / Р.В. Белов, К.О. Огородников // Патент на изобретение №2619823, зарегистрирован 18.05.17, бюл. №14.

35. Поленок, Е.А. Исследование особенностей реализации алгоритма поисковой рельефометрической корреляционно-экстремальной навигационной системы / Е.А. Поленок, С.Ю. Страхов // Вестник ВГУ, серия: Системный анализ и информационные технологии. - 2015. №1. - С. 61-66.

36. Рытов, С.М. Введение в статистическую радиофизику. Часть 1. Случайные процессы / С.М. Рытов - М.: Наука, гл. ред. физ.-мат. лит., 1976. - 484 с.

37. Рытов, С.М. Введение в статистическую радиофизику. Часть 2. Случайные поля / С.М. Рытов, Ю.А. Кравцов, В.И. Татарский - М.: Наука, гл. ред. физ.-мат. лит., 1978. - 463 с.

38. Соболь, И.М. Численные методы Монте-Карло / И.М. Соболь - М.: Наука, гл. ред. физ.-мат. лит., 1973. - 312 с.

39. Сосновский, А.А. Авиационная радионавигация. Справочник / А.А. Сосновский, И.А. Хаймович, Э.А. Лутин, И.Б. Максимов - М.: «Транспорт», 1990. - 264 с.

40. Степанов, О.А. Линейные оптимальные алгоритмы в задачах оценивания с нелинейными измерениями. Связь с алгоритмами калмановского типа / О.А. Степанов, А.Б. Торопов // Известия ТулГУ. Технический вестник. -2012. №7. - С. 172-189.

41. Степанов, О.А. Методы нелинейной фильтрации в задаче навигации по геофизическим полям. Часть 1. Обзор алгоритмов / О.А. Степанов, А.Б. Торопов // Гироскопия и навигация. - 2015. №3 (90). - С. 102-125.

42. Степанов, О.А. Методы нелинейной фильтрации в задаче навигации по геофизическим полям. Часть 2. Современные тенденции развития / О.А. Степанов, А.Б. Торопов // Гироскопия и навигация. - 2015. №4 (91). - С. 147159.

43. Степанов, О.А. Навигационная информативность геофизических полей и выбор траекторий в задаче уточнения координат с использованием карты / О.А. Степанов, А.С. Носов, А.Б. Торопов // Известия ТулГУ. Технические науки - 2018. №5 - С. 74-92.

44. Степанов, О.А. Построение комбинированного алгоритма решения задачи корреляционно-экстремальной навигации в рамках теории нелинейной фильтрации / О.А. Степанов // Автометрия. - 1995. №5. - С. 74-85.

45. Степанов, О.А. Применение теории нелинейной фильтрации в задачах обработки навигационной информации / О.А. Степанов - СПб.: ГНЦ РФ - ЦНИИ «Электроприбор», 2003. - 370 с.

46. Странгуль, О.Н. Корреляционно-экстремальные системы навигации и локации подвижных объектов / О.Н. Странгуль, В.П. Тарасенко // Автоматика и телемеханика. - 2001, №7. - С. 201-210.

47. Сырямкин, В.И. Корреляционно-экстремальные радионавигационные системы / В.И. Сырямкин, В.С. Шидловский - Томск: Изд-во Том. ун-та, 2010. - 316 с.

48. Сэвидж, Д.Э. Сложность вычислений / Д.Э. Сэвидж - М.: Изд-во «Факториал», 1998. - 368 с.

49. Тихонов, В.И. Статистический анализ и синтез радиотехнических устройств и систем / В.И. Тихонов, В.Н. Харисов - М.: Радио и связь, 1991. - 608 с.

50. Фомин, В.Н. Рекуррентное оценивание и адаптивная фильтрация / В.Н. Фомин - М.: Наука, гл. ред. физ.-мат. лит., 1984. - 288 с.

51. Щербинин, В.В. Построение инвариантных корреляционно -экстремальных систем навигации и наведения летательных аппаратов /

B.В. Щербинин - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э, Баумана, 2011. - 230 с.

52. Ярлыков М.С. Статистическая теория радионавигации / М.С. Ярлыков - М.: Радио и связь, 1985. - 344 с.

53. ASTER GDEM Validation Team. ASTER Global DEM Validation: Summary Report / ASTER GDEM Validation Team - METI & NASA, 2009. - 28 p.

54. Bergman, N. Bayesian Inference in Terrain Navigation / N. Bergman -Linkoping University, Sweden. - 1997. - 86 p.

55. Bergman, N. Recursive Bayesian estimation: Navigation and Tracking Applications / N. Bergman - Linkoping University, Sweden. - 1999. - 204 p.

56. Chen, X. Research of Terrain Aided navigation system / X. Chen,

C. Wang, X. Wang, M. Ming, D. Wang // International Conference on Automation, Mechanical Control and Computational Engineering. - 2015. - P. 13-18.

57. Farr, T.G. The Shuttle Radar Topography Mission / T.G. Farr, P.A. Rosen, E. Caro, R. Crippen, R. Duren, S. Hensley, M. Kobrick, M. Paller, E. Rodriguez, L. Roth, D. Seal, S. Shaffer, J. Shimada, J. Umland, M. Werner, M. Oskin, D. Burbank, D. Alsdorf - Reviews of Geophysics. - 2007, vol. 45, Issue: 2.

- 43 p.

58. Julier, S.J. Reduced sigma point filters for the propagation of means and covariances through nonlinear transformations / S.J. Julier, J.K. Uhlmann // IEEE American Control Conference. - 2002, vol. 2. - P. 887-892.

59. Julier, S.J. Unscented Filtering and Nonlinear Estimation / S.J. Julier, J.K. Uhlmann // Proc. IEEE. - 2004, vol. 92 (3). - P. 401-422.

60. Kandepu, R. Applying the unscented Kalman filter for nonlinear state estimation / R. Kandepu, B. Foss, L. Imsland // Science Direct, Journal of Process control. - 2008, vol. 18, Issues: 7-8. - P. 753-768.

61. Karabörk, A. Terrain aided navigation / A. Karabörk // The Graduate School of Natural and Applied Sciences of Middle East Technical University. - 2010. -96 p.

62. Markley, F.L. Fundamentals of Spacecraft Attitude Determination and Control / F.L. Markley, J.L. Crassidis // Springer-Verlag New York Inc. - 2014. - 486 p.

63. Moireau, P. Reduced-order unscented Kalman filtering with application to parameter identification in large-dimensional systems / P. Moireau, D. Chapelle // COCV 17. - 2011. - P. 380-405.

64. Paris, S. Planning for terrain-aided navigation / S. Paris, J.-P. Le Carde // Proceedings of the Fifth International Conference on Information Fusion. - 2002. vol. 2.

- P. 1007-1014.

65. Rodriguez, E. An assessment of the SRTM topographic products / E. Rodriguez, C.S. Morris, J.E. Belz, E.C. Chapin, J.M. Martin, W. Daffer, S. Hensley -Technical report JPL D-31639, Jet Propulsion Laboratory, Pasadena. - 2005. - 143 p.

66. Simon, D. Optimal State Estimation. Kalman, H», and Nonlinear approaches / D. Simon // A John Wiley & Song Inc. - 2006. - 550 p.

67. Tachikawa, T. Characteristics of ASTER GDEM Version 2 / T. Tachikawa, M. Hato, M. Kaku, A. Iwasaki // IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium, Vancouver, BC, Canada. - 2001. - 4 p.

68. Vaman, D. A GPS inspired Terrain Referenced Navigation algorithm /

D. Vaman - Delft University of Technology, Delft. - 2014. - 196 p.

69. Wan, E.A. The square-root unscented Kalman filter for state and parameter estimation / E.A. Wan, R. Van der Merwe // Proceedings of the IEEE International Conference on Acoustics, Speech, and Signal Processing. - 2001. - P. 3461-3464.

70. Wan, E.A. The unscented Kalman filter for nonlinear estimation /

E.A. Wan, R. Van der Merwe // Symposium on Adaptive system for signal processing, communication and control (AS-SPCC). - 2000. - P. 153-158.

71. Wilkinson, N. Latest developments of the TERPROM digital terrain system / N. Wilkinson, T. Brookes, A. Price, M. Godfrey // ION Joint Navigation Conference, Orlando, FL. - 2009. - 16 p.

72. Xie, Y. Terrain aided navigation / Y. Xie - Royal Institute of Technology, Sweden. - 2005. - 47 p.

СОКРАЩЕНИЯ И ОБОЗНАЧЕНИЯ

ASTER Advanced spaceborne thermal emission and reflection

radiometer

EKF Extended Kalman filter

GDEM Global digital elevation model

SITAN Sandia inertial terrain aided navigation

SRTM Shuttle radar topography mission

TERCOM Terrain contour matching

TERPROM Terrain profile matching

UKF Unscented Kalman filter

БИНС Бесплатформенная инерциальная навигационная

система

БПЛА Беспилотный летательный аппарат

БЧЭ Блок чувствительных элементов

ГСК Геодезическая система координат

ДУС Датчик угловой скорости

ИИС Информационно-измерительная система

ИНС Инерциальная навигационная система

ИСК Инерциальная система координат

КЭНС Корреляционно-экстремальная навигационная система

МО Математическое ожидание

РВ Радиометрический высотомер

СКО Среднеквадратическое отклонение

СПО Специальное программное обеспечение

ССК Связанная система координат

ФК Фильтр Калмана

ЦВМ Цифровая вычислительная машина

ЦМРМ Цифровая модель рельефа местности

ЦКМ Цифровой комплекс моделирования

ЭИ Эталонная информация

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Рисунок П.1.1 - Патент на изобретение

Рисунок П.1.2 - Акт о внедрении

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

Рисунок П. 2.2 - Участок рельефа №2

50 100

Рисунок П. 2.5 - Участок рельефа №5

О 50 100 0 50 100

Рисунок П. 2.7 - Участок Рисунок П. 2.8 - Участок

О 50 100

Рисунок П.2.11 - Участок Рисунок П.2.12 - Участок

50 100

Рисунок П.2.14 - Участок рельефа №14

А

50 100

Рисунок П.2.15 - Участок рельефа №15

50 100

Рисунок П.2.17 - Участок рельефа №17

Рисунок П.2.20 - Участок рельефа №20

О 50 100 0 50 100

Рисунок П.2.22 - Участок Рисунок П.2.23 - Участок

Рисунок П.2.26 - Участок рельефа №26

50 100

Рисунок П.2.29 - Участок рельефа №29