Моделирование алгоритмов комплексирования разнородных навигационных наблюдений тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.18, кандидат технических наук Полканов, Алексей Сергеевич

• Полканов, Алексей Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Полканов, Алексей Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. Анализ принципов построения навигационных комплексов с различной степенью интеграции.

1.1. Постановка задачи.

1.2. Навигационные системы, физические принципы их работы и погрешности измерений.

1.2.1. Спутниковые навигационные системы.

1.2.2. Инерциальные навигационные системы.

1.2.3. Радиопеленгаторы и гиперболические радионавигационные системы.

1.2.4. Гидроакустические станции.

1.2.5. Лаги.

1.2.6. Компасы.

1.3. Комплексирование источников навигационной информации.

1.3.1. Виды и схемы комплексирования.

1.3.2. Комплексирование на уровне первичной обработки информации.

1.3.3. Частотные методы оценки навигационных параметров.

1.3.4. Временные методы оценки навигационных параметров.

1.3.5. Комплексирование на уровне вторичной обработки информации.

1.4. Синтез фильтров комплексной обработки информации.

1.5. Нелинейная фильтрация в задачах обработки навигационной информации.

1.6. Контроль целостности и обнаружение аномальных режимов работы. 55 1.7. Выводы.

Глава II. Синтез, анализ и математическое моделирование оптимальных и квазиоптимальных алгоритмов комплексирования навигационной информации.

2.1. Постановка задачи.

2.2. Стохастические модели движения корабля.

2.2.1. Модель движения с высокими скоростями.

2.2.2 Модели движения с малыми скоростями.

2.2.3 Уравнения движения в дискретном времени.

2.2.4. Линеаризация модели движения в режиме стабилизации курса.

2.2.5. Линеаризация модели движения в режиме установившейся циркуляции.

2.3. Комплексирование навигационной информации при интенсивных внешних воздействиях.

2.3.1. Комплексная нелинейная фильтрация разнородных наблюдений.

2.3.2. Комплексная линейная фильтрация разнородных наблюдений.

2.4. Оценивание местоположения судна с применением квазиоптимальной линейной схемы.

2.5. Оценивание путевого угла корабля при движении на высоких скоростях.

2.6. Выводы.

Глава III. Реализация программного комплекса системы автоматического управления движением корабля.

3.1. Постановка задачи.

3.2. Принципы построения программы моделирования управления морскими подвижными комплексами.

3.3 Проектирование и реализация ПК "Моделирование".

3.4 Проектирование и реализация ПК "Комплексирование".

3.5 Проектирование и реализация ПК "Управление".

3.6. Предварительная обработка навигационной информации с источников

3.6.1. Пересчет показаний инерциальной системы в точку центра масс

3.6.2. Коррекция качаний антенны приемника СНС.

3.7. Проектирование и реализация алгоритмов комплексирования навигационной информации в режиме динамического позиционирования

3.8. Проектирование и реализация алгоритмов комплексирования навигационной информации в режиме высоких скоростей.

3.9. Адаптация ПК САУД к различным составам и ТТХ аппаратного обеспечения и двигателей корабля.

3.9.1. Цель и задачи адаптации ПК САУД.

3.9.2. Формат файла, содержащий конфигурационную информацию.

3.9.3. Формат файла, содержащего табличную информацию.

3.9.4 Механизм адаптации ПК к сочетанию и ТТХ средств управления движением.

3.9.5 Механизм адаптации ПК к сочетанию имеющихся источников навигационной информации.

3.10. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Моделирование алгоритмов комплексирования разнородных навигационных наблюдений»

Актуальность темы. Современные комплексы навигационных приборов, устанавливаемых на морских и воздушных судах, а также на наземном транспорте, содержат различные средства получения информации о местоположении, ориентации в пространстве и параметрах движения подвижного объекта. Это порождает задачу комплексирования имеющейся информации с целью минимизировать ошибки оценивания параметров движения, определить выход из строя отдельных источников, а также обнаружить кратковременные выбросы наблюдаемых значений, связанные с аномальным влиянием тех или иных внешних факторов.

В известной литературе описан ряд подходов к решению задачи комплексирования навигационных средств, используемых при различной степени аппаратной интеграции навигационного комплекса. Вместе с тем, мало исследованными остаются алгоритмы комплексирования навигационной информации, позволяющие учитывать реальные модели движения морских подвижных объектов. Задача комплексирования усложняется нелинейностью моделей таких объектов, вызванной особенностями движения в водной среде. В то же время учет характера движения позволил бы уменьшить погрешности комплексных оценок. Получение таких оценок требует проведения значительного объема вычислительных работ по моделированию алгоритмов с целью их параметрической и структурной оптимизации, а также обеспечения вычислений в режиме реального времени. Таким образом, возникает актуальная задача разработки, моделирования и реализации в виде программных комплексов алгоритмов комплексирования разнородной информации с учетом динамических характеристик объекта управления.

Цель и задачи работы. Основной целью работы является повышение точности оценивания местоположения и параметров движения подвижного объекта на основе синтеза и моделирования оптимальных нелинейных и линеаризованных алгоритмов комплексирования разнородной навигационной информации. Для достижения названной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Проанализировать существующие источники навигационной информации, известные алгоритмы комплексирования, характер и величину возникающих погрешностей.

2. Синтезировать нелинейные и квазиоптимальные линеаризованные алгоритмы комплексирования разнородных навигационных источников, учитывающие модели движения управляемых объектов.

3. Провести математическое моделирование с целью сравнения эффективности оптимальных и квазиоптимальных алгоритмов; дать оценки вычислительной сложности разработанных алгоритмов, изучить особенности их программной реализации.

4. Произвести проектирование и оптимизацию программного комплекса моделирования системы автоматического управления движением.

Методы исследования. При решении поставленных задач использовались методы теории вероятностей и математической статистики, теории случайных процессов. При разработке программного обеспечения применялись методы объектно-ориентированного анализа и проектирования распределенных программных систем.

Научная новизна положений, выносимых на защиту.

На защиту выносятся следующие научные результаты:

1. Предложены и промоделированы алгоритмы комплексирования, учитывающие нелинейную модель морского подвижного объекта, что позволило снизить СКО ошибки оценивания местоположения и параметров движения объекта.

2. Произведен сравнительный анализ эффективности алгоритмов, использующих нелинейную и линеаризованную модели. Показаны преимущества тех или иных алгоритмов при использовании их в реальных системах.

3. Предложены оптимальные и квазиоптимальные алгоритмы оценивания путевого угла, позволяющие за счет достаточно точных показаний гироскопического компаса и инерциальной системы значительно снизить дисперсию путевого угла, определяемого СНС.

4. Предложен и реализован в виде программного комплекса «Комплек-сирование» метод обработки навигационной информации, адаптируемый под множество возможных конфигураций навигационных средств корабля и позволяющий в реальном времени исключать неработоспособные источники из алгоритмов.

Практическая значимость. Предложенные в диссертации методика моделирования и алгоритмы дают разработчикам возможность построения универсальных систем обработки разнородной навигационной информации с учетом характера движения, позволяющих получать оценки местоположения и параметров движения объекта.

На основе предложенных алгоритмов был разработан программный комплекс «Комплексирование», используемый для автоматического управления движением корабля, что подтверждается актом внедрения, приложенным к диссертационной работе. Программный комплекс позволяет получить оценки необходимых параметров движения в различных режимах работы системы автоматического управления: в режиме динамического позиционирования и управления движением на высоких скоростях.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих НТК:

•Международная конференция «Континуальные алгебраические логики, исчисления и нейроинформатика в науке и технике» (Ульяновск, Ул-ГТУ, 2006);

•ХЫУ Международная научная студенческая конференция «Студент и научно-технический прогресс» (Новосибирск, НГУ, 2006);

•Пятая Всероссийская научно-практическая конференция (с участием стран СНГ), посвященная 50-летию Ульяновского Государственного Технического Университета (Ульяновск, УлГТУ, 2007);

•Шестая Всероссийская научно-практическая конференция (с участием стран СНГ) (Ульяновск, УлГТУ, 2009);

•Седьмая Международная конференция «Математическое моделирование физических, экономических, технических, социальных систем и процессов» (Ульяновск, УлГУ, 2009);

• ЬХ1У научная сессия, посвященная Дню радио (Москва, 2009 г.);

Ежегодные конференции профессорско-преподавательского состава Ульяновского государственного технического университета (2007-2009).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных работ, одна из них опубликована в журнале «Инфокоммуникационные технологии», входящем в перечень ВАК РФ.

Содержание работы. В первой главе произведен анализ существующих навигационных приборов, характер и величину погрешностей их измерений. Кроме того был произведен обзор существующих методов и подходов комплексирования навигационной информации.

Вторая глава посвящена синтезу, анализу и сравнению различных алгоритмов комплексирования навигационных измерений. Приведены результаты моделирования различных схем. Произведено сравнение эффективности и анализ целесообразности использования тех или иных алгоритмов на практике.

В третьей главе приводится проектирование программного обеспечения, предназначенного для моделирования системы управления движением морских подвижных комплексов. Программное обеспечение имеет модульную архитектуру и состоит из трех основных программных комплексов: «Ком-плексирование навигационных измерений», «Моделирования морских подвижных комплексов» и «Автоматическое управление движением».

Заключение диссертации по теме «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ», Полканов, Алексей Сергеевич

3.10. Выводы

1. Анализ возможных вариантов построения программных комплексов показал, что наиболее эффективно задача будет решаться модульной распределенной системой, переносимой на различные программные и аппаратные платформы на уровне исходных кодов.

2. По сравнению с предыдущим программным обеспечением, создаваемым под определенную модель МПО, была достигнута универсальность в рамках широкого круга различных МПО, достигаемая за счет разработанных механизмов адаптации и конфигурации системы.

3. За счет использования достаточно низкоуровневого языка С, а так же тщательной оптимизации реализации алгоритмов удалось достичь максимального быстродействия при выполнении сложных вычислительных операций.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации получено решение актуальной научно-технической задачи повышения точности алгоритмов комплексирования разнородных навигационных наблюдений и разработки программного комплекса для моделирования систем автоматического управления движением морских подвижных комплексов, использующих разработанные алгоритмы. Основные результаты и выводы могут быть сформулированы следующим образом.

1. Предложены и исследованы нелинейные алгоритмы комплексирования навигационных измерений, учитывающие модель движения корабля. Моделирование алгоритмов показало, что их использование позволяет значительно повысить точность определения координат корабля, снизив СКО ошибки в 1,5 -2 раза по сравнению с алгоритмом усреднения наблюдений СПС в скользящем окне.

2. Произведено сравнение нелинейных и линеаризованных оптимальных алгоритмов комплексирования. Сравнение показало, что применения нелинейных алгоритмов в стационарных условиях движения объектов приводит к уменьшению СКО ошибки на 1 - 8 %. Наибольший выигрыш при использовании нелинейных алгоритмов достигается в случаях, когда линейная модель существенно отличается от нелинейной.

3. Синтезированы нелинейные алгоритмы оценивания путевого угла корабля, позволяющие снизить ошибки оценивания в 2-3 раза по сравнению с алгоритмом усреднения наблюдений СНС в скользящем окне. Разработаны и проанализированы квазиоптимальные алгоритмы оценивания путевого угла, позволяющие снизить СКО ошибки оценивания в 1.5-2 раза по сравнению с алгоритмом усреднения наблюдений СНС в скользящем окне за счет показаний компаса и инерциальной системы.

4. Произведено проектирование и разработка программного обеспечения, предназначенного для моделирования системы управления движением морских подвижных комплексов. Программное обеспечение имеет модульную архитектуру и состоит из трех основных программных комплексов: «Комплексирование навигационных измерений», «Моделирования морских подвижных комплексов» и «Автоматическое управление движением». Модели разработаны на языке С, что позволяет легко переносить их на различные программные и аппаратные платформы.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Полканов, Алексей Сергеевич, 2009 год

1. Аникин A.A., Полканов A.A. Моделирование ошибок измерений спутниковой навигационной системы // Труды международной конференции «Континуальные алгебраические логики, исчисления и нейроинформатика в науке и технике». Ульяновск, 2006. Том 5.-с.6.

2. Анучин О. Н., Емельянцев Г. И., Интегрированные системы ориентации и навигации для морских подвижных объектов / Под ред. В. Г. Пешехонова. -СПб.: ГНЦ РФ ЦНИИ «Электроприбор», 1999.

3. Бабич О. А. Обработка информации в навигационных комплексах. М.: Машиностроение, 1991.

4. Белоглазов И. Н., Джанджгава Г. И,, Чигин Г. П. Основы навигации по геофизическим полям. -М.: Наука, 1985.

5. Белоглазов И. Н., Казарин С. Н. Совместное оптимальное оценивание, идентификация и проверка гипотез в дискретных динамических системах. -Теория и системы управления, 1998, №4.

6. Богуславский И. А. Методы навигации и управления по неполной статистической информации. М.: Машиностроение, 1970.

7. Васильев К.К., Полканов A.C. Алгоритмы совместной обработки разнородной навигационной информации: «Инфокоммуникационные технологии». Периодический научно-технический и информационно-аналитический журнал. Том 6, №1, 2008.

8. Васильев К. К. Теория автоматического управления (следящие системы): Учебное пособие. 2-е изд.- Ульяновск: УлГТУ, 2001.

9. Васильев К. К., Васильев А. Н. Математическая модель движения корабля- «Современные проблемы создания и эксплуатации радиотехническихсистем»: Тез. докл. 3-й всероссийской научно-практической конференции -Ульяновск: УлГТУ, 3-4 декабря 2001. С. 98-100.

10. Васильев К. К., Полканов А. С. Оптимальные алгоритмы комплексирова-ния навигационной информации. Труды РНТО РЭС им. А. С. Попова. Серия: Научная сессия, посвященная Дню радио. Москва, 2009 г. Выпуск ЬХ1У. С. 331 -333.

11. Глобальная спутниковая радионавигационная система ГЛОНАСС/ Под ред. В. Н. Харисова, А. И. Перова, В. А. Болдина. 2-е изд. исправ. - М.: ИПРЖР, 1999.

12. Дмитриев С. П. Высокоточная морская навигация. Л.: Судостроение, 1991.

13. Дмитриев С. П., Кошаев Д. А. Информационный контроль и диагностика дублированных инерциальных систем. Труды XI Санкт-Петербургской международной конференции по интегрированным навигационным системам. -СПб., 2004.

14. Дмитриев С. П., Осипов А. В. Фильтрационный подход к задаче контроля цнлостности спутниковой навигационной системы. Радиотехника, 2001, №1.

15. Дмитриев С. П., Пелевин А. Е. Задачи навигации и управления при стабилизации судна на траектории. СПб.: ГНЦ ЦНИИ «Электроприбор», 2002.

16. Дмитриев С. П., Степанов О. А. Многоальтернативная фильтрация в задачах обработки навигационной информации. Радиотехника, 2004 г., №7.

17. Дмитриев С. П., Степанов О. А. Неинвариантные алгоритмы обработки информации инерциальных навигационных систем. Гироскопия и навигация, 2000, №1.

18. Дмитриев С. П., Степанов О. А., Кошаев Д. А. Многоканальная фильтрация и ее применение для исключения неоднозначности при позицонировании объектов с помощью вР8. Теория и системы управления, 1997, №1.

19. Дмитриев С. П., Шимелевич Л. И. Нелинейные задачи обработки навигационной информации. Л.: ЦНИИ «Румб», 1977.

20. Дмитриев С.П., Колесов Н.В., Осипов A.B. Информационная надежность, контроль и диагностика навгационных систем. СПБ: ГНЦ РФ ЦНИИ «Электроприбор», 2004. - 208с

21. Интегрированные инерциально-спутниковые системы навигации. Сборник статей / Под ред. В.Г. Пешехонова. Санкт-Петербург, 2001.

22. Кошаев Д. А., Степанов О. А. Универсальные MATLAB программы для анализа потенциальной точности и исследования чувствительности в задачах линейной нестационарной фильтрации. - Гироскопия и навигация, 2004, №2.

23. Красовский А. А., Белоглазов И. Н., Чигин Г. П. Теория корреляционно-экстремальных навигационных систем. М.: Наука, 1979.

24. Кузовков Н. Т., Салычев О. С. Инерциальная навигация и оптимальная фильтрация. -М.: Машиностроение, 1982.

25. Лемешко Б.Ю. Статистический анализ одномерных наблюдений случайных величин: Программная система / Новосиб. гос. техн. ун-т. Новосибирск, 1995. 125 с.

26. Лукомский Ю. А., Пешехонов В. Г., Скороходов Д. А. Навигация и управление движением судов. Учебник. СПб.: «Элмор», 2002. - 360 с.

27. Лукомский Ю.А., Корчанов В.М. Управление морскими подвижными объектами. СПб: Элмор, 1996.

28. Лукомский Ю. А., Чугунов В. С. Системы управления морскими подвижными объектами: Учебник Л.: Судостроение, 1988.- 272 с.

29. Миронов М. А., Башаев А. В., Полосин С. А. Оптимальная оценка параметров модели авторегрессии векторных гауссовских процессов по экспериментальным данным. Радиотехника, 2002, №7.

30. Миронов М. А., Башаев А. В., Полосин С. А. Контроль целостности в бортовых системах функционального дополнения глобальных навигационных спутниковых систем. Радиотехника, 2004 г., №7.

31. Миронов М.А., Прохоров C.JI. Комплексные радионавигационные системы с раздельной обработкой сигналов. Радиотехника, 1996, №1.

32. Наместников С.М., Полканов A.C. Алгоритмы построения оценок путевого угла. // Вестник УлГТУ. Апрель-июнь (38) 2/2007 Ульяновск: УлГТУ, 2007 -С. 34-36.

33. Перов А. И., Шатилов А. Ю. Сравнительный анализ характеристик двух алгоритмов комплексной вторичной обработки информации в инерциально-спутниковых навигационных системах. — Радиотехника, 2003, №7.

34. Перов А. И., Шатилов А. Ю. Эффект неустойчивости в инерциально-спутниковой навигационной системе с двухуровненвым комплексированием и некогерентным приемником СРНС. Международная НТК «Радиолокация, навигация, связь». - Воронеж, 2005, т.З.

35. Перов А. И., Шатилов А. Ю.Синтез комбинированного алгоритма комплексирования на первичном и вторичном уровнях в инерциально-спутниковой системе навигации. Радиотехника, 2005, №7.

36. Развитие теории и практики автоматических систем ориентации, навигации и управления. Под ред. Ривкина С. С., Бургонского А. С., Талайковой Н. Б. Межвузовский сборник, Ленинград, 1987 г.

37. Резниченко В. И., Лапшина В. И. Организация взаимодействия спутниковых и автономных навигационных средств морских объектов. Санкт-Петербург, 2004.

38. Ривкин С. С. Метод оптимальной фильтрации Калмана и его применение в инерциальных навигационных системах. Л.: Судостроение. 4.1, 1973, ч.2, 1974.

39. Ривкин С. С., Ивановский Р. И., Костров А. В. Статистическая оптимизация навигационных систем. Л.: Судостроение, 1976.

40. Система геодезических параметров земли "Параметры Земли 1990 года" (ПЗ-90) Галазин В.Ф.,Каплан Б.Л., Лебедев М.Г., Максимов В.Г., Петров Н.В., Сидорова-Бирюкова Т.Л./ Под ред. Хвостова B.B. М. Координационный научно-информационный центр, 1998.

41. Соловьёв Ю. А. Комплексирование глобальных спутниковых радионавигационных систем ГЛОНАСС и GPS с другими навигационными измерителями. — Радиотехника, 1999, №1.

42. Соловьев Ю. А. Спутниковая навигация и ее приложения. -М.: Эко-Трендз, 2003. 326 с.

43. Сосулин Ю. Г. Теоретические основы радиолокации радионавигации. -М.: Радио и связь, 1992.

44. Степанов О. А. Методы оценки потенциальной точности в корреляциои-но-экстремальных навигационных системах. СПб.: ЦНИИ «Электроприбор», 1993.

45. Степанов О. А. Приближенные методы анализа потенциальной точности в нелинейных навигационных задачах. Л.: ЦНИИ «Румб», 1986.

46. Степанов О. А. Применение теории нелинейной фильтрации при решении задач обработки навигационной информации. СПб.: ГНЦ РФ ЦНИИ «Электроприбор», 1998.

47. Степанов О. А. Решение задач нелинейной фильтрации на основе кусоч-но-гауссовской аппроксимации апостериорной плотности. Теория и системы управления. Изв. РАН, 2000, №2.

48. Стратонович Р. Л. Условные Марковские процессы и их применение к теории оптимального управления. -М.: МГУ, 1966.

49. Сэйдж Э.П., Мэлс Дж. Теория оценивания и её применение в связи и управлении: Пер. с англ./ Под ред. Б.Р. Левина. М.: Связь, 1976.

50. Тихонов В. И. Оптимальный прием сигналов. М.: Радио и связь, 1983.

51. Тихонов В. И. Развитие в России оптимального оценивания случайных процессов и полей. Радиотехника, 1999, №10.

52. Тихонов В. И., Кульсан Н. К. Нелинейная фильтрация и квазикогерентный прием сигналов. -М.: Сов. радио, 1975.

53. Тихонов В. И., Харисов В. Н. статистический анализ и синтез радиотехнических устройств и систем. М.: Радио и связь, 1991.

54. Тучин Д. А. Кодовые измерения псевдодальности системы GPS. Модель ошибок и априорная оценка точности определения вектора положения.

55. Харисов В. Н., Горев А. П. Синтез тесносвязанного алгоритма инерци-ально-спутникоывой навигации. — Радиотехника, 2000, №7.

56. Цветов М. А., Цветов А. М. Уравнения движения корабля Труды Ульяновского научного центра РАЕН - Ульяновск: УНЦНЗИТРАЕН, 2001, т. 3, вып. 1-е. 119-122.

57. Челпанов И. Б., Несенюк JI. П., Брагинский М. В. Расчет характеристик навигационных гироприборов. JL: Судостроение, 1978.

58. Ярлыков М. С. Применение Марковской теории нелинейной фильтрации в радиотехнике. -М.: Сов. радио, 1980.

59. Ярлыков М. С. Статистическая теория радионавигации. М.: Радио и связь, 1985.

60. Ярлыков М. С., Миронов М. А. Марковская теория оценивания случайных процессов. М.: Радио и связь. 1993.

61. Ярлыков М.С., Базаров A.A. Оптимальное комплексирование радионавигационных измерителей на уровне обработки сигналов для каждого из них. -Радиотехника, 1991, №5.

62. Ярлыков М.С., Базаров A.A. Совмещенная аппаратура потребителей спутниковой и гиперболической радионавигационных систем. Радиотехника, 1992, №4.

63. Ярлыков М.С., Базаров A.A., Салямех С.С. Помехоустойчивый навигаци-онно-посадочный комплекс на основе спутниковой

64. Ярлыков М.С., Кудинов А.Т. Повышение качества функционирования спутниковых радионавигационных систем за счет информационной избыточности. Радиотехника, 1998, №2.

65. MisraP., et al. Augmentation of GPS/LAAS with GLONASS: Performance Assessment, ION GPS-98 Proc., Nashwille, 1998.

66. Методы и алгоритмы, полученные А. С. Полкановым в его диссертации, планируется использовать в дальнейшем при разработке программного обеспечения интегрированных мостиковых систем. , . : ■

67. Зам. начальника КНИО-1 Ю. Л. Корноухов

68. Начальник НИО-11 П. В. Былина1. О/

69. Зам. главного конструктора //у- А. В. Маттис