Оптимальные адаптивные алгоритмы обработки информации в навигационных системах подвижных наземных объектов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.01, кандидат наук Сурков Владимир Олегович

• Сурков Владимир Олегович
• кандидат наук
• 2020

Оглавление диссертации кандидат наук Сурков Владимир Олегович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА, ОБОСНОВАНИЕ АКТУАЛЬНОСТИ ЗАДАЧИ И МАТЕМАТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ЕЕ РЕШЕНИЯ

1.1 Анализ навигационных систем подвижных наземных объектов, их состава и характеристик. Требования точности определения координат местоположения, предъявляемые к навигационным системам

1.2 Обеспечение достоверности навигационной информации в навигационных системах подвижных наземных объектов

1.3 Выбор методов обработки информации в навигационных системах наземных подвижных объектов

1.4 Постановка задачи исследования

1.5 Выводы к главе

ГЛАВА 2 РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ СИГНАЛОВ, ИНФОРМАЦИОННЫХ И СОПУТСТВУЮЩИХ ПАРАМЕТРОВ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ЗАДАЧЕ СИНТЕЗА ОПТИМАЛЬНЫХ АЛГОРИТМОВ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ В НАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ НАЗЕМНЫХ ПОДВИЖНЫХ ОБЪЕКТОВ НА ОСНОВЕ СПУТНИКОВЫХ РАДИОНАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ

2.1 Принципы построения математических моделей

2.2 Математические модели сигналов на выходах нерадиотехнических измерителей

2.2.1 Математические модели сигналов на выходе инерциальной навигационной системы

2.2.2 Математическая модель сигнала на выходе барометрического высотомера

2.3 Математические модели радиосигналов на входе аппаратуры приема сигналов СРНС

2.4 Математическая модель движения подвижного наземного объекта

2.5 Математические модели дискретных процессов

2.6 Выводы по главе

ГЛАВА 3 СИНТЕЗ ОПТИМАЛЬНЫХ И КВАЗИОПТИМАЛЬНЫХ АЛГОРИТМОВ ИДЕНТИФИКАЦИИ И АДАПТИВНОГО ОЦЕНИВАНИЯ В

НАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ ПОДВИЖНЫХ НАЗЕМНЫХ ОБЪЕКТОВ С ОБНАРУЖЕНИЕМ СИГНАЛОВ СРНС

3.1 Постановка задачи

3.2 Метод оценивания дискретно-непрерывного процесса

3.3 Системные квазиоптимальные алгоритмы совместного обнаружения, идентификации и адаптивного оценивания

3.4 Выводы по главе

ГЛАВА 4 АНАЛИЗ КАЧЕСТВА ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СИНТЕЗИРОВАННЫХ АЛГОРИТМОВ ИДЕНТИФИКАЦИИ И АДАПТИВНОГО ОЦЕНИВАНИЯ

4.1 Анализ качества решения задачи идентификации параметра достоверности

4.1.1 Методика оценки качества решения задачи идентификации параметра достоверности

4.1.2 Определение вероятностей параметров достоверности

4.2 Методика оценки потенциальных характеристик точности и помехоустойчивости синтезированных алгоритмов идентификации и адаптивного оценивания

4.2.1 Методика оценки потенциальных характеристик точности синтезированных алгоритмов идентификации и адаптивного оценивания

4.2.2 Потенциальные характеристики точности

4.3 Анализ качества решения задачи обнаружения синтезированных алгоритмов идентификации и адаптивного оценивания

4.3.1 Методика оценки качества решения задачи обнаружения синтезированных алгоритмов идентификации и адаптивного оценивания

4.3.2 Характеристики обнаружения синтезированных алгоритмов идентификации и адаптивного оценивания

4.4 Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙИ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А Расчет требуемых значений точности определения координат местоположения подвижного наземного объекта навигационной системой,

включенной в состав системы автоматического управления автомобиля

ПРИЛОЖЕНИЕ Б Вычисление матрицы Шъ и матрицы Р

ПРИЛОЖЕНИЕ В Патент на изобретение

ПРИЛОЖЕНИЕ Г Свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ

ПРИЛОЖЕНИЕ Д Акты о внедрении результатов диссертационной работы

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. В настоящее время автомобильная индустрия меняет вектор своего развития в сторону беспилотных автомобилей. Беспилотный автомобиль - транспортное средство, оборудованное системой автоматического управления (САУ) для передвижения без участия человека по заданной траектории. В состав САУ помимо подсистем точного позиционирования относительно других участников движения входит подсистема, представленная в виде навигационной системы (НС). Для формирования управляющих воздействий необходимы знания о текущих координатах местоположении автомобиля, получаемые от НС в течение заданного промежутка времени с приемлемой точностью, то есть необходимо решение задач оценивания координат местоположения автомобиля.

Расчеты показали, что для НС, включенных в состав САУ автомобиля, требуемые значения среднеквадратических отклонений (СКО) ошибок определения координат местоположения должны лежать в пределах от 0,09 до 0,5 м. в зависимости от ширины дороги и типа транспортного средства.. Лучшие отечественные навигационные системы ПНО (системы серии Компанав) и зарубежные навигационные системы (ЕШрве-Ы) способны обеспечить точность определения координат местоположения (СКО ошибки) в 1,5 м. [1]. Эта точность от 3 до 17 раз хуже требуемой. Использование в некоторых зарубежных навигационных системах режима дифференциальной коррекции СРНС позволяет приблизиться только к верхней границе требуемой точности определения координат местоположения легковых автомобилей, при этом почти в 4 раза не удовлетворяет требованиям точности для грузовых автомобилей [2]. Таким образом, существующие современные НС подвижных наземных объектов (ПНО) не способны обеспечить требуемую в САУ автомобилей точность определения координат местоположения.

Современные НС ПНО включают в свой состав как радиотехнические, так и нерадиотехнические измерители. Системный анализ с использованием

принципов единства и модульного построения показывает, что наибольшее применение в составе НС находят следующие подсистемы: инерциальная навигационная система (ИНС) и аппаратура приема (АП) сигналов спутниковых радионавигационных систем (СРНС), которая используется для решения задач коррекции [3-6]. Навигационные системы, имеющие подобный состав обеспечивают потребителя навигационной информацией, которая используется для решения множества задач, таких как обеспечение безопасности движения и организации перевозок пассажиров и грузов, нахождение маршрута, слежение за экологически опасными грузами, определение места аварии и др.

Помимо точности важной характеристикой является достоверность навигационной информации, влияющая на безопасность навигационного обеспечения ПНО. Достоверность - это способность НС поддерживать с заданной вероятностью в определенный промежуток времени, в каком либо районе в требуемых пределах свои характеристики [7].

Особенностью работы СРНС является то, что в произвольный момент времени возможны или кратковременное отсутствие, или искажение радиосигнала на входе АП СРНС, или передача ложной навигационной информации на определенных территориях.

Все это оказывает негативное системное влияние на работу АП СРНС и не позволяет обеспечить как высокую точность определения координат ПНО, так и требуемую достоверность навигационной информации в НС. Для её обеспечения и снижения влияния особенностей работы СРНС необходим контроль целостности навигационной информации СРНС. Контроль целостности навигационной информации - систем мероприятий по мониторингу состояния радионавигационного поля СРНС и своевременному оповещению потребителей СРНС о снижении качества навигационного обслуживания. Характеристики контроля целостности СРНС - вероятность обнаружения недопустимого ухудшения в работе системы СРНС и время, по истечении которого должно поступить сообщение о нарушении функционирования СРНС (для ПНО требуемое время - 5 - 30 с.). Контроль целостности навигационной информации

может быть как внешним, так и внутренним, выполняемым в АП СРНС. При этом с точки зрения оперативности внутренний контроль целостности в АП СРНС является более перспективным.

Производимые в настоящее время НС ПНО не имеют систем внутреннего контроля целостности, используя контроль целостности в аппаратуре навигационного космического аппарата (НКА) и контроль целостности наземным контрольным сегментом, и не позволяют обеспечить требуемую целостность навигационной информации в НС ПНО. Общим недостатком разрабатываемых на сегодняшний день НС с внутренним контролем целостности навигационных данных СРНС в АП СРНС является использование методов контроля основанных на вторичной обработке информации [7-10]. Если на входе АП СРНС будет отсутствовать полезный радиосигнал, то наличие помехи может быть воспринято как полезный радиосигнал, будет производиться обработка принятой помехи, что в итоге приведет к получению неточных навигационных данных. Методы вторичной обработки информации не позволяют решать задачу обнаружения радиосигналов на входе АП СРНС.

Для обеспечения точности и целостности навигационной информации в НС ПНО, основанных на СРНС, необходимо совместно решать задачу обнаружения сигналов - для определения наличия радиосигналов на входе АП СРНС, с задачей адаптивного оценивания - для контроля достоверности навигационной информации (обнаружения аномалий навигационных данных) и оценки навигационной информации. Решение задачи синтеза системных алгоритмов, объединяющей обнаружение сигналов и адаптивное оценивание методами марковской теории оптимального оценивания, позволит получить новые алгоритмы обработки информации для решения задачи оценивания навигационных данных ПНО, как составной части задачи управления ПНО.

Степень разработанности проблемы: Решение задачи совместного обнаружения сигналов и оценивания их параметров рассматривалось в работах И.Н. Амиантова, В.И. Тихонова, Н.К. Кульмана, Ю.Г. Сосулина, М.С. Ярлыкова. В работах этих авторов рассматривались случаи, когда оцениваемые

непрерывный и дискретный процессы представлялись в виде скалярных случайных процессов. Случай, когда дискретный процесс - векторный двухкомпонентный процесс, каждая компонента которого представляет собой векторный процесс, впервые был рассмотрен и исследован в работе [11]. Применяя эти методы, автор впервые получил алгоритмы обработки информации для НС ПНО с контролем целостности навигационного обеспечения [12].

Задача оценки технического состояния радиотехнического измерителя методами марковской теории оптимального оценивания за счет идентификации и адаптивного оценивания рассматривались в [13-15]. Применение данных методов позволило получить на выходе оценку вектора состояния и принять решение о работоспособности радиотехнического измерителя.

Однако, в научной литературе не описано совместное решение задачи обнаружения сигналов и адаптивного оценивания методами марковской теории оптимального оценивания. Решение задачи синтеза системных алгоритмов, объединяющей в себе решение задачи обнаружения сигналов с задачей адаптивного оценивания методами марковской теории оптимального оценивания, позволит получить новые алгоритмы обработки информации, которые будут использоваться для решения задачи оценивания навигационных данных ПНО, как составной части задачи управления ПНО.

Научная актуальность диссертационной работы определяется необходимостью разработки алгоритмов совместного обнаружения и адаптивного оценивания для навигационных систем подвижных наземных объектов с контролем целостности навигационных данных СРНС.

Диссертационное исследование проводилось в рамках гранта РФФИ 14-0800523 А «Теоретические основы построения радиоэлектронных комплексов с реконфигурируемой информационной системой».

Практическая актуальность диссертационной работы определяется: - необходимостью повышения точности навигационного обеспечения ПНО, за счет повышения степени интеграции оборудования в НС и использования методов первичной обработки информации;

- необходимостью непрерывности навигационного обеспечения независимо от времени суток, времени года, метеоусловий, состояния подстилающей поверхности и характеристик движения ПНО;

- необходимостью глобальности навигационного обеспечения, как способности оборудования ПНО обеспечивать их движение в любом районе Земли или приземном пространстве;

- необходимостью обеспечения характеристик целостности навигационной информации СРНС на основе разработки алгоритмов контроля целостности.

Объект исследования - навигационные системы подвижных наземных объектов.

Предмет исследования - алгоритмы оценивания координат и параметров движения подвижных наземных объектов.

Цель диссертационной работы - повышение точности навигационного обеспечения и обеспечение характеристик целостности навигационной информации в навигационных системах ПНО за счет оптимизации обработки информации и разработки алгоритмов совместного обнаружения и адаптивного оценивания

Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:

- провести системный анализ навигационных систем ПНО;

- разработать новый метод обработки информации позволяющий решать задачу совместного обнаружения радиосигналов и адаптивного оценивания их параметров применительно к решению задач обработки информации в НС ПНО;

- разработать формализованную постановку задачи синтеза системных адаптивных алгоритмов обработки информации, позволяющих решать задачу совместного обнаружения радиосигналов и адаптивного оценивания их параметров применительно к решению задач обработки информации в НС ПНО;

- разработать методами структурно-параметрического синтеза (методами марковской теории оптимального оценивания) алгоритмы совместного обнаружения и адаптивного оценивания для навигационных систем подвижных

наземных объектов с контролем целостности навигационных данных СРНС применительно к решению задач обработки информации в НС ПНО;

- разработать структурную схему обработки информации в НС с обнаружением радиосигналов СРНС и автономным контролем достоверности навигационной информации спутниковых радионавигационных систем;

- оценить качество решения задачи идентификации параметров математической модели ПНО в навигационной системе, разработанной на основе синтезированных алгоритмов обработки информации;

- провести анализ потенциальных характеристик точности определения координат и параметров ПНО в НС, разработанной на основе синтезированных алгоритмов обработки информации;

- оценить качество решения задачи обнаружения сигналов СРНС по критерию идеального наблюдателя в НС, разработанной на основе синтезированных алгоритмов обработки информации.

Научную новизну работы составляют:

1. Метод оценивания дискретно-непрерывных процессов отличающиеся от известных тем, что дискретная часть дискретно-непрерывного процесса представляет собой два дискретных процесса: один однокомпонентный, второй составной двухкомпонентный векторный дискретный процесс, что позволяет решать задачу совместного обнаружения радиосигналов и адаптивного оценивания их параметров применительно к решению задач навигации, обработки информации в НС ПНО.

2. Метод обработки информации в НС ПНО в составе АП СРНС, ИНС, барометрического высотомера (БВ) отличающийся:

- новой постановкой задачи синтеза системных адаптивных алгоритмов обработки информации, в которой в отличие от известных постановок введена зависимость информационных процессов от дискретного параметра - параметра достоверности, с целью определения целостности навигационных данных;

- новыми системными адаптивными алгоритмами обработки информации, в которых в отличие от известных производится обнаружение радиосигналов

одновременно с адаптивным оцениванием параметров, что позволяет кроме оценивания навигационных данных (координат объекта, параметров движения объекта) определять наличие радиосигналов СРНС на входе аппаратуры приема, а также передачу недостоверных навигационные данных СРНС.

Теоретическая и практическая значимость Теоретическая значимость заключается диссертационной работы заключается в разработке на основе принципов системного анализа (единства, функциональности, модульного построения) нового метода обработки информации, позволяющего решать задачу совместного обнаружения радиосигналов и адаптивного оценивания их параметров применительно к решению задач навигации, обработки информации в НС ПНО;

Практическая значимость диссертационной работы заключается в том, что: -разработаны алгоритмы обработки информации, позволяющие решать задачу совместного обнаружения радиосигналов и адаптивного оценивания их параметров применительно к решению задач обработки информации в НС ПНО.

-разработана структурная схема обработки информации в НС ПНО с возможностью обнаружения радиосигналов СРНС на входе аппаратуры приема, а также с возможностью автономного контроля целостности навигационных данных спутниковых радионавигационных систем.

- разработаны методики проведения машинного эксперимента и программы для ЭВМ, позволяющие применительно к решению задач обработки информации в НС ПНО оценить качество решения задачи идентификации параметров математической модели ПНО.

Методы исследований. В работе использованы методы системного анализа, теории марковских и условных марковских процессов, теории статистических решений, марковской теории оптимального оценивания случайных процессов.

На защиту выносятся следующие основные положения: 1. Метод оценивания дискретно-непрерывных процессов, когда дискретная часть дискретно-непрерывного процесса представляет собой два

дискретных процесса: один однокомпонентный, второй двухкомпонентный векторный дискретный процесс, каждая компонента которого также является вектором, а векторный непрерывных процесс представляет собой многокомпонентный диффузионный марковский процесс (соответствует п. 4 паспорта специальности 05.13.01).

2. Постановка задачи синтеза и синтезированные квазиоптимальные системные алгоритмы обработки информации в НС ПНО в составе АП СРНС, ИНС и БВ на уровне первичной обработки сигналов с возможностью обнаружения радиосигналов СРНС на входе АП и возможностью контроля целостности навигационные данных СРНС. (соответствует п. 2, п.4).

3. Структурная схема обработки информации в НС на основе разработанных алгоритмов обработки информации с возможностью обнаружения радиосигналов СРНС на входе АП и с автономным контролем целостности навигационной информации СРНС. (п.4)

4. Результаты анализа эффективности функционирования (характеристики идентификации параметра достоверности, потенциальные характеристики точности, характеристики обнаружения) разработанных алгоритмов совместного обнаружения и адаптивного оценивания для решения задач обработки информации в НС ПНО, управления беспилотным автомобилем (соответствует п.4).

Степень достоверности и апробация работы.

Достоверность положений, сформулированных в работе, определяется использованием фундаментальных теоретических положений, справедливость которых доказана ранее и подтверждена на практике, корректным применением математического аппарата марковской теории оптимального оценивания случайных процессов, адекватностью рассматриваемых моделей реальным процессам, результатами расчетов и моделирования на ЭВМ, публикациями в рецензируемых изданиях.

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались: на Международной конференции с элементами научной школы

«Актуальные проблемы энергосбережения и энергоэффективности в технических системах» (Тамбов, апрель 2014 г.), на VI Международной научно-технической конференции студентов, молодых ученых и специалистов «ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ И ЭФФЕКТИВНОСТЬ В ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ» (Тамбов, июнь 2019).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 33 печатных работы, из них:

- 25 статей (3 статьи в журналах, утвержденных перечнем ВАК, 2 из перечня SCOPUS), 2 тезиса доклада;

- пат. 2565834 Российская Федерация. Автоматизированная система навигации с контролем целостности навигационных данных спутниковых радионавигационных систем / А.В. Иванов, Д.В. Комраков, Л.А. Подколзина, В.О. Сурков; заявитель и правообладатель: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Тамбовский государственных технический университет». - № 2014115127; заявл. 15.04.14;опубл. 23.09.15;

- свидетельство № 2015662356 Российская Федерация. Математическое моделирование алгоритмов автономной системы контроля целостности в реконфигурируемых радиоэлектронных системах: свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ / А.В. Иванов, Д.В. Комраков, Л.А. Подколзина, В.О. Сурков; заявитель и правообладатель: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Тамбовский государственных технический университет». - № 2015619385; заявл. 07.10.2015; зарегистр

- свидетельство № 2018613884 Российская Федерация. Определение задержки шумоподобного сигнала путем многоканальной обработки информации с использованием разложения в ряд Маклорена: свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ / А. В. Иванов, В. О. Сурков; заявитель и правообладатель ФГБОУ ВПО «Тамбовский государственных технический университет». -№ 2018613884; заявл. 09.02.2018; зарегистр

- свидетельство № 2015614433 Российская Федерация. Определение временной задержки шумоподобного сигнала с использованием многоканальной обработки: свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ / А. В. Иванов, Д. В. О. Сурков; заявитель и правообладатель ФГБОУ ВПО «Тамбовский государственных технический университет». -№ 2015614433; заявл. 09.02.2018; зарегистр

Личный вклад автора. Заключается в разработке метода оценивания дискретно-непрерывных процессов, синтезе квазиоптимальных алгоритмов совместного обнаружения и адаптивного оценивания, анализе эффективности функционирования разработанного навигационного система подвижного наземного объекта, выполнении анализа современного состояния предметной области, получении патента, разработке программ.

Реализация результатов работы: по материалам диссертации получен патент на изобретение, три свидетельства о регистрации программ для ЭВМ, выполнен отчет о НИР в рамках гранта РФФИ «Теоретические основы построения радиоэлектронных комплексов с реконфигурируемой информационной системой» договор № НС 14-08-00523/14 от 06.03.14 г., результаты диссертационной работы внедрены в АО «ТЗ» Ревтруд», а также в учебные процессы ФГБОУ ВО «ТГТУ» и ВУНЦ ВВС «ВВА имени профессора Н. Е. Жуковского и Ю. А. Гагарина».

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы, содержит 1 42 страницы машинописного текста, 26 рисунков, 6 таблиц и 15 листов приложения.

Во введении обосновывается актуальность выбранной темы исследования. Излагаются полученные в работе и выносимые на защиту основные научные результаты, их апробация и реализация. Указана структура диссертации и расписано краткое содержание ее разделов.

Первая глава посвящена анализу состояния вопроса, обоснованию актуальности и выбору математических методов решения задачи. Произведен структурный анализ САУ автомобиля и разработаны требования к точности

определения координат местоположения для навигационных систем САУ автомобиля. Проведен системный анализ существующих НС ПНО с использованием принципа единства и принципа модульного построения; обоснованы требования, которые предъявляются к навигационным системам наземных подвижных объектов, а также принципы их построения. На основе проведенного системного анализа выявлена особенность работы НС ПНО (в произвольный момент времени возможны или кратковременное отсутствие, или искажение радиосигнала на входе АП СРНС, или передача ложной навигационной информации на определенных территориях) не позволяющая обеспечить достоверность и точность навигационной информации. Отмечены причины отсутствия радиосигнала на входе АП СРНС (затенение приемной антенны, выход из строя бортовой аппаратуры НКА, влияние многолучевости распространения сигналов и выборочное отключения радиосигналов НКА (для СРНС типа GPS)) и причины его искажения (воздействие большого числа помех как естественных, так и искусственных, имитирующих сигнал НКА). Отмечена необходимость внутреннего контроля целостности навигационной информации для обеспечения её достоверности. Системный анализ показал, что современные НС не оснащены системами автономного контроля целостности и не позволяют обеспечить требуемую целостность и как следствие достоверность навигационной информации НС ПНО. Отмечена необходимость разработки адаптивных алгоритмов обработки информации, позволяющих решать задачу совместного обнаружения радиосигналов и адаптивного оценивания их параметров для обеспечения точности и достоверности навигационной информации методами марковской теории оценивания случайных процессов и полей. Произведена постановка задачи исследования.

Во второй главе разработаны математические модели сигналов на входе аппаратуры приема радиосигналов спутниковых радионавигационных систем, записаны математические модели на выходах нерадиотехнических измерителей (НРТИ). Разработаны математическая модель объекта, а также математические модели информационных и сопутствующих параметров необходимые для синтеза

системных оптимальных алгоритмов обнаружения радиосигналов СРНС, идентификации и адаптивного оценивания параметров сигналов.

В третьей главе произведена постановка задачи синтеза методами структурно-параметрического синтеза (методами марковской теории оценивания), были синтезированы оптимальные и квазиоптимальные алгоритмы оценивания координат и параметров движения наземного подвижного объекта на уровне первичной обработки сигналов с возможностью обнаружения радиосигналов СРНС на входе аппаратуры приема и возможностью контроля целостности навигационные данных спутниковых радионавигационных систем. На основе синтезированных алгоритмов разработана структурная схема навигационного система подвижного наземного объекта.

В четвертой главе произведен анализ качества функционирования разработанного навигационного система для подвижных наземных объектов. Разработана методика в соответствии, с которой произведена оценка качества решения задачи идентификации параметра достоверности. На основе разработанной методики произведен расчет характеристик идентификации параметра достоверности, а именно точности идентификации и времени идентификации параметра достоверности для различного количества каналов и отношений сигнал-шум. Разработана методика оценки характеристик точности определения координат и параметров движения ПНО. В соответствии с разработанной методикой произведен расчет характеристик точности и помехоустойчивости синтезированных алгоритмов. С целью определения качества решения задачи обнаружения сигналов СРНС на входе аппаратуры приема, разработана методика и проведен машинный эксперимент. Получены характеристики обнаружения.

В заключенииприведены выводы и основные результаты проделанной работы.

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА, ОБОСНОВАНИЕ АКТУАЛЬНОСТИ ЗАДАЧИ И МАТЕМАТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ЕЕ РЕШЕНИЯ

1.1 Анализ навигационных систем подвижных наземных объектов, их состава и характеристик. Требования точности определения координат местоположения, предъявляемые к навигационным системам

В настоящее время автомобильная индустрия меняет вектор своего развития в сторону беспилотных автомобилей. Беспилотный автомобиль - транспортное средство, оборудованное системой автоматического управления (САУ) для передвижения без участия человека по заданной траектории. В настоящее время разработкой беспилотных автомобилей занимаются как в России (РобоСиВи, ФГУП «НАМИ») так и зарубежом (General Motors, Mersedes Benz, Ford, Audi, BMW, Volvo, Caddilac, Volkswagen и др.) [16 - 19]. Достоинствами таких систем являются:

• возможность перевозить грузы в опасных зонах, во время военных действий или катастроф как природных, так и техногенных;

• снижение расходов на транспортировку грузов и пассажиров;

• снижение расходов на топливо, более эффективное использование дорог и их пропускной способности за счёт реализации централизованного управления потоком транспорта;

• снижение количества ДТП и числа человеческих жертв в них.

В настоящее время получила распространение следующая структурная схема САУ беспилотного автомобиля (рисунок 1.1). При формировании структурной схемы САУ автомобиля были использованы следующие принципы системного анализа: принцип единства и принцип модульного построения.

Навигационная информация

Навигационный

комплекс

Требуемые управляющие воздействия

Текущее положение относительно других участников движения и проезжей части Ы-

Вычислительное устройство

Актуальные управляющие воздействия

Исполнительные механизмы

Устройтва точного позиционирования относительно других участников движения и проезжей части

Рисунок 1.1 - Структурная схема САУ беспилотного автомобиля

Состав такой системы функционально делится на две части (рисунок 1.1). В первой части роль элементов и подсистем САУ автомобиля выполняют устройства точного позиционирования относительно других участников движения:

1. датчик LIDAR для формирования двумерной или трехмерной модели окружающего пространства;

2. радар для определения точного положения удаленных объектов;

3. набор видеокамер для распознавания движущихся объектов и т.д.

Во второй части подсистемой является навигационная система (НС) который обеспечивает определение координат местоположения начальной и конечной точки маршрута.

НС ПНО устанавливается на объекте в виде наземной навигационной аппаратуры - совокупности подсистем и приборов, обеспечивающей объект навигационной информацией [20]. Под навигационной информацией понимается совокупность данных о географических координатах, скорости и направлении движения контролируемого объекта [21].

Навигационная информация (НИ) необходима для решения следующих задач [22]:

• обеспечения безопасности движения и организации перевозок пассажиров и грузов в процессе хозяйственной деятельности;

• нахождения маршрута;

• слежения за экологически опасными грузами;

• управления на маршруте;

• определения местоположения транспортного средства.

Системный анализ НС ПНО показывает, что НС представляет собой

сложную системную систему, в состав которой входят нерадиотехнические (НРТИ) и радиотехнические (РТИ) измерители, являющиеся подсистемами, вычислительное устройство и устройство отображения информации. В составе НС ПНО как НРТИ, так и РТИ являются источниками навигационной информации. РТИ в составе НС выполняют так же функцию коррекции полученной от НРТИ навигационной информации. Возможны следующие режимы работы навигационного система [23]:

1. автономный режим работы (при отсутствии сигналов от РТИ);

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оптимальные адаптивные алгоритмы обработки информации в навигационных системах подвижных наземных объектов»

2. совместный режим работы.

Для обработки информации в НС ПНО используются оптимальные алгоритмы оценивания, базирующиеся на основе методов оптимальной линейной фильтрации [24 - 35].

Используя принципы системного анализа такие как принцип единства и принцип модульного построения, была определена типовая структурная схема НС ПНО, которая имеет вид (рисунок 1.2) [24]:

Радиотехнические измерители (РТИ)

Навигационная

Нерадиотехничес информация

кие датчики

(НРТИ)

£

Вычислительное устройство

Навигационная информация

Навигационное решение

Навигационное решение

е

В бортовой компьютер

Устройство отображения информации

Рисунок 1.2 - Типовая структурная схема системы навигации ПНО

Навигационное решение (текущие координаты местоположения, текущие параметры движения ПНО, текущие углы ориентации), получаемое в результате обработки данных НРТИ и РТИ, может использоваться:

• персоналом, непосредственно управляющим ПНО или осуществляющим надзор за ПНО;

• бортовым компьютером, осуществляющим надзор за ПНО или непосредственно управляющим ПНО.

В таблице 1. 1 указан состав НС ПНО, представленные в настоящее время на рынке [7,36-39].

Таблица 1. 1 - Состав навигационных систем подвижных наземных объектов.

Систем Состав

«Азимут» курсовая система магнитного типа (акселерометр, феррозонд), путевая система одометрического типа, приемник СРНС

КомпаНав-2Т блок чувствительных элементов и цифровой обработки сигналов (БЧЭ) (микроэлектромеханический акселерометр, микроэлектромеханический датчик угловой скорости, 3-х осный магнитометр, барометрический высотомер), приемник СРНС

КомпаНав-3 ИНС (микроэлектромеханический акселерометр, микроэлектромеханический гироскоп) барометрический высотомер, приемник СРНС

КомпаНав-2М БЧЭ (акселерометр, датчик угловой скорости), приемник СРНС

БИНС-Тек БИНС (кварцевый акселерометр, волоконно-оптический гироскоп), одометр, приемник СРНС

Ориентир датчики угловой ориентации (геомагнитный и гироскопический); датчик скорости; система дальней навигации («Чайка» и «LORAN-C»),приемник СРНС

КС-100М геомагнитный датчик курса, электромеханический одометр, система дальней навигации («Чайка» и «LORAN-C»), приемник СРНС

«Трона-1». Гирокурсоуказатель (датчик угловой ориентации и датчик скорости); приемник СРНС

ТНА-4 курсовая система «Маяк-2» (динамически настраиваемый гироскоп; датчик скорости)

Малогабаритная курсовая система магнитного типа (акселерометр, феррозонд), путевая система

навигационная одометрического типа, приемник СРНС

аппаратура

ФГУП НКТБ

«ФЕРРИТ»

«Гамма -1» ССГККУ (динамически настраиваемый гироскоп), датчик скорости, приемник СРНС

«Гамма -2» ССГККУ (динамически настраиваемый гироскоп), датчик скорости, приемник СРНС

ГАЛС-Д2М-1 БИНС -4 (волоконно-оптический гироскоп, акселерометр), доплеровский датчик скорости, приемник СРНС

ГАЛС-Д2М-2 БИНС - 4 (волоконно-оптический гироскоп, кремниевый акселерометр), доплеровский датчик скорости, приемник СРНС

ГАЛС-Д2М-3 БИНС-4 (волоконно-оптический гироскоп, кремниевый акселерометр), доплеровский датчик скорости, приемник СРНС

ГАЛС-Д2М-4 БИНС -4 (волоконно-оптический гироскоп, кремниевый акселерометр), доплеровский датчик скорости, приемник СРНС

Ellipse-N Инерциальный измерительный блок (3-х осный акселерометр, 3-х осный датчик угловой скорости, 3-х осный магнитометр, одометр), приемник СРНС

Ellipse-E Инерциальный измерительный блок (3-х осный акселерометр, 3-х осный датчик угловой скорости, 3-х осный магнитометр, одометр), приемник СРНС

Ekinox-N Инерциальный измерительный блок (3-х осный акселерометр, 3-х осный датчик угловой скорости, 3-х осный магнитометр, одометр), приемник СРНС

Survey+ L1 Инерциальный измерительный блок (3-х осный акселерометр, 3-х осный датчик

угловой скорости, 3-х осный магнитометр), приемник СРНС

3DM-GX4-45 Инерциальный измерительный блок (3-х осный акселерометр, 3-х осный датчик угловой скорости, 3-х осный магнитометр), приемник СРНС

3DM-RQ1 Инерциальный измерительный блок (3-х осный акселерометр, 3-х осный датчик угловой скорости, 3-х осный магнитометр), приемник СРНС

MMQ-G Инерциальный измерительный блок (3-х осный акселерометр, 3-х осный датчик угловой скорости, 3-х осный магнитометр), приемник СРНС

Малогабаритная курсовая система магнитного типа (акселерометр, феррозонд), путевая система

навигационная одометрического типа, приемник СРНС

аппаратура

ФГУП НКТБ

«ФЕРРИТ»

«Гамма -1» ССГККУ (динамически настраиваемый гироскоп), датчик скорости, приемник СРНС

«Гамма -2» ССГККУ (динамически настраиваемый гироскоп), датчик скорости, приемник СРНС

ГАЛС-Д2М-1 БИНС -4 (волоконно-оптический гироскоп, акселерометр), доплеровский датчик скорости, приемник СРНС

ГАЛС-Д2М-2 БИНС - 4 (волоконно-оптический гироскоп, кремниевый акселерометр), доплеровский датчик скорости, приемник СРНС

ГАЛС-Д2М-3 БИНС-4 (волоконно-оптический гироскоп, кремниевый акселерометр), доплеровский датчик скорости, приемник СРНС

ГАЛС-Д2М-4 БИНС -4 (волоконно-оптический гироскоп, кремниевый акселерометр), доплеровский датчик скорости, приемник СРНС

Ellipse-N Инерциальный измерительный блок (3-х осный акселерометр, 3-х осныйдатчик угловой скорости, 3-х осный магнитометр, одометр), приемник СРНС

Ellipse-E Инерциальный измерительный блок (3-х осный акселерометр, 3-х осный датчик угловой скорости, 3-х осный магнитометр, одометр), приемник СРНС

Ekinox-N Инерциальный измерительный блок (3-х осный акселерометр, 3-х осный датчик угловой скорости, 3-х осный магнитометр, одометр), приемник СРНС

Анализ таблицы 1.1 показывает, что в состав НС ПНО могут входить следующие подсистемы:

1. инерциальная навигационная система (ИНС) бесплатформенного типа, механический датчик скорости, магнитометр, барометрический высотомер;

2. доплеровский датчик скорости, наземные радиосистемы дальней навигации («Чайка» и «LORAN-C») и аппаратура приема сигналов спутниковых радионавигационных систем (АП СРНС) ГЛОНАСС/GPS.

Инерциальная навигационная система (ИНС) бесплатформенного типа входит в большинство НС ПНО, а в некоторых НС является основным НРТИ (навигационные системы серии RT2500 и RT3100). Это обусловлено её преимуществами такими как автономность действия и помехозащищенность. Помимо ИНС в НС применяются и другие датчики, например в НС «Азимут» и Ориентир применяются курсовые системы магнитного или гироскопического

типа совместно с датчиком скорости. С целью увеличения объема получаемых навигационных данных в НС ПНО используются: барометрический высотомер (БВ) (системы КомпаНав-2Т, КомпаНав-3), позволяющий также контролировать целостность информации СРНС [40,41], механический датчик скорости, одометр, предназначенный для счисления пути (БИНС - Тек) и магнитометр, используемый для измерения характеристик магнитного поля Земли.

Основным РТИ использующимся во всех перечисленных системах является АП СРНС. Достоинствами СРНС являются:

1. Высокая точность при определении координат местоположения и составляющих вектора скорости в любой точке земной поверхности;

2. Независимость точности от времени суток;

3. Однозначность навигационных определений, выдаваемых в единой для всех потребителей системе координат;

4. Высокая помехоустойчивость;

5. Неограниченность числа обслуживаемых объектов.

В таблице 1.2 представлены приемники СРНС, которые применяются в навигационных системах БИНС-Тек, Компанав - 2Т, Компанав - 2М.

Таблица 1.2 - Приемники СРНС используемые в навигационных системах ПНО

Наименование навигационного система Наименование приемника Число каналов Поддерживаемые СРНС

БИНС-Тек Навис СН-4706 24 ГЛОНАСС, GPS

КомпаНав-2Т TrimЫeLasseшQ 12 GPS

КомпаНав-2М МНП М7 24 ГЛОНАСС/GPS

Из анализа таблицы 1.1 следует, что в настоящее время распространен следующий минимальный состав НС для ПНО, реализованный в виде система КомпаНав-2МДТ2500 и RT3100. Данный минимальный состав представлен в виде структурной схемы на рисунке 1.3 [39] .

Бесплатформенная ИНС

Параметры движения

А

V

Приемник СРНС

Вычислительное устройство

Координаты местоположения, время

Навигационное решение

Навигационное решение

В бортовой компьютер

Устройство отображения информации

Рисунок 1.3 - Минимальный состав навигационной системы ПНО

НС имеющая минимальный состав, представленный на рисунке 1.3 включается в состав САУ беспилотного автомобиля [4].

Данные полученные от НС и устройств точного позиционирования в дальнейшем используются для формирования необходимых управляющих воздействий направленных на исполнительные механизмы автомобиля для выполнения управления.

САУ беспилотного автомобиля, несмотря на свои достоинства, так же не лишены недостатков, одним из которых является невозможность передвигаться в сложных метеоусловиях (проливной дождь, сильный снегопад и др.). Связано это с тем, что идентификация местности производится за счет сравнения ранее отснятых фотографий с результатами визуализации окружающего ландшафта местности, сканируемого системами автомобиля. Этот подход позволяет системе отличать пешехода от телеграфного столба, но при плохих метеоусловиях система этого сделать не может.

В сложных погодных условиях НС является основной подсистемой, обеспечивающей САУ автомобиля навигационными данными, и позволяет САУ продолжить управление автомобилем некоторое время, достаточное чтобы произвести его остановку. Для формирования управляющих воздействий необходимы знания о текущих координатах местоположении автомобиля, получаемые от НС в течение заданного промежутка времени с приемлемой

точностью, то есть необходимо решение задач оценивания координат местоположения автомобиля.

Так как в настоящее время в литературных источниках не встречается сформулированных требований к СКО ошибки определения координат местоположения НС ПНО, включенных в состав САУ автомобиля, то целесообразно их выработать.

По результатам произведенных вычислений (Приложение 1) на рисунке 1.4 [42] представлены требования к точности определения координат местоположения ПНО НС, включенной в состав САУ, в виде зависимостей ах и аг от ширины транспортного средства при различной ширине проезжей части для ширины полосы движения [43]: В = 3 м. кривая 1, В = 3,5 м. кривая 2, В = 3,75 м. кривая 3, В = 4,5 м. кривая 4. Ширина Ь ПНО бралась в пределах от 1,5м до 2,55 м и охватывает большинство моделей ПНО, находящихся в эксплуатации в настоящий момент.

ах 1

се о г 06 о & 0-1 О 3 02

0 1

ГЛ........1.........1.........

: \ ! :

; з ; |

« " ¡11!!

1 4

* й а -а и -¡л- Ь

Рисунок 1.4 - Требования к точности определения координат местоположения ПНО навигационной системой, включенной в состав САУ.

Из анализа графиков, представленных на рисунке 1.4, следует, что требуемая точность определения координат легковых автомобилей, ширина которых 1,5 м., составляет от ст =0,25 до ст =0,5 м. для НС САУ, в зависимости от ширины дороги. Для грузовых автомобилей и автобусов, ширина которых равна 2,5 м., точность определения координат для НС САУ автомобилей данного типа составляет от ст =0,09 до ст =0,33 м. в зависимости от ширины дороги. Данные для промежуточных значений Ь сведены в таблицу 1.3

Таблица 1.3 - Требования к точности определения координат местоположения ПНО навигационными системами, включенными в состав САУ

СКО ошибки, м

Ширина транспортного средства Ь, м

Ширина полосы движения, м 1,5 1,7 1,9 2,1 2,3 2,5

Б = 3, 0,25 0,22 0,183 0,15 0,12 0,09

Б = 3,5 0,33 0,3 0,27 0,23 0,2 0,17

Б = 3,75 0,375 0,34 0,31 0,275 0,24 0,21

Б = 4,5 0,5 0,47 0,43 0,4 0,37 0,325

В таблице 1.4 приведены точностные характеристики современных НС ПНО [5,6,44,45].

Таблица 1.4 - Точностные характеристики навигационных систем ПНО.

Систем Режим работы Координаты (СКО), м Высота (СКО),м Скорость (СКО),м/с Вертикальная скорость (СКО), м/с Крен, тангаж, (СКО), град Курс (СКО), град

«Азимут» Р2 25 0,8

Р1 1,2% от пр. пути 0,8

КомпаНав-2Т Р2 5 2 0,2 0,3 1,0 1,5

Р1 500 4 5 0,3 1,5 3

КомпаНав-3 Р2 6 2 0,2 0,2 0,2 0,4

Р1 500 4 0,5 0,5 0,4 2

КомпаНав-2М Р2 5 2 5 0,3 0,3 0,5

Р1 600 6 5 0,5 0,5 3

КомпаНав- 5.2 Р2 6 0,1 0,07 0,2

Р1 0,25% от пр. пути 1,5 0,1 0,5

БИНС-Тек Р2 5 2-4 0,1 0,3 0,03 0,1

Р1 0,25% от пр. пути 0,5 0,1 0,7

БИНС-ТЭК-С2 Р2 6 0,08 0,03 0,08

Р1 0,1% от пр. пути 0,8 0,04 0,1

Ориентир Р2 50

Р1 0,2 % от пр. пути

КС-100М Р2 60 1 0,8

Р1 500 1 0,8

Малогабаритная навигационная аппаратура ФГУП НКТБ «ФЕРРИТ» Р2 20 0,2 0,6

Р1 1,0 % от пр. пути 0,2 0,6

«Трона-1». Р2 10

Р1 0,7 % от пр. пути

ТНА-4 Р2

Р1 0,9 % от пр. пути

«Гамма -1» Р2 25 3,5 0,1

Р1 0,6 % от пр. пути

«Гамма -2» Р2 25 3,5 0,1

Р1 1 % от пр. пути

ГАЛС-Д2М-1 Р2 33 0,5 0,16

Р1 0,5 % от пр. пути

ГАЛС-Д2М-2 Р2 22 0,5 0,11

Р1 0,25 % от пр. пути

ГАЛС-Д2М-3 Р2 14

Р1 0,1 % от пр. пути 0,5 0,7

ГАЛС-Д2М-4 Р2 8 0,5 0,04

Р1 0,05 % от пр. пути

ЕШрзе-К Р2 2 0.1 0.2 0.2

Р1 190

ЕШр8е-Е Р2 2 0.1 0.2 0.2

Р1 190

Ектох-К Р2 1.5 0.1 0.2 0.2

Р1

Р3 0.4

Р4 0,6

ЯТ2500 Р2 3 0,1% от пр. пути 0.05 0,2

Р1 190

Р3 0.9

Р4 2.0

ЯТ2502 Р2 3 0,36 0.05 0.15

Р1 0,25%от пр. пути

Р3 0.9

Р4 2.0

ЯТ2002 Р2 1,5 0,36 0.05 0.1

Р1 0,2 % от пр. пути

Р3 0.4

Р4 0,6

ЯТ3100 Р2 1.8 0,36 0.05 0.1

Р1

Р3 0.4

Р4 0,6

Р5 0,01

ЯТ3102 Р2 1,8 0,36 0.05 0.1

Р1

Р3 0.4

Р4 0,6

ЯТ3002 Р2 1,5 0,36 0.03 0.1

Р1

Р3 0.4

Р4 0,6

ЯТ3003 Р2 1,5 0,18 0.03 0.1

Р1

Р3 0.4

Р4 0,6

8игуеу+ Р2 1,5 0,18 0.03 0.1

Р1

Р3 0.4

Р4 0,6

8игуеу+ Ь1 Р2 1,8 0,36 0.05 0.1

Р1

Р3 0.4

Р4 0,6

3DM-GX4-45 Р2 2,5 5 0,1 0,25 0,8

Р1

3DM-RQ1 Р2 2,5 5 0,1 0,1 0,5

Р1

MMQ-G Р2 3 4 0,2 0,2

Р1 500

В таблице 1.4: Р1 - автономный режим; Р2- совместный режим работы с коррекцией от СРНС; пр. путь - пройденный путь; Р3 - режим работы, при котором дифференциальные поправки определяются с помощью локальной системы дифференциальной коррекции DGPS.Р4 - режим работы, при котором дифференциальные поправки определяются с помощью широкозонной системы дифференциальной коррекции (SBAS).

Из анализа данных таблицы 1.4 видно, что в настоящее время лучшие отечественные (системы серии КомпаНав) и зарубежные НС (Ellipse-N и др.) имеют точность определения координат в 1,5 м. Эта точность в 17 раз хуже, чем максимально требуемая точность определения координат ст =0,09 м. при О = 3 м. для грузовых автомобилей с шириной Ь = 2,5 м.

Использование в некоторых системах режима дифференциальной коррекции СРНС позволяет получить точность определения координат в ст =0,4 м [44,45] и частично удовлетворить требованиям к точности определения координат местоположения НС, включенных в состав САУ для легковых автомобилей с шириной Ь = 1,5 - 2,1 м при О = 4,5 м., но не для грузовых автомобилей. Для грузовых автомобилей требуется СКО ошибки оценивания координат местоположения в 4,5 раза больше, чем СКО полученное за счет использования режима дифференциальной коррекции СРНС.

Таким образом, ни отечественные, ни зарубежные НС не позволяют получить точность определения координат, которая удовлетворяла бы требованиям к точности определения координат местоположения НС, включенных в состав систем автоматического управления. Использование в

некоторых системах режима дифференциальной коррекции СРНС позволяет удовлетворить требованиям к точности определения координат местоположения НС, включенных в состав САУ, но лишь частично.

1.2 Обеспечение достоверности навигационной информации в навигационных системах подвижных наземных объектов

Помимо точности достоверность навигационных данных является одной из характеристик, влияющих на безопасность навигационного обеспечения ПНО. Достоверность навигационных данных - способность НС поддерживать с заданной вероятностью в определенный промежуток времени, в каком либо районе в требуемых пределах свои характеристики [7]. При обеспечении достоверности навигационной информации в НС ПНО необходимо учитывать особенности работы и недостатки подсистем, входящих в состав навигационных систем данного типа. В соответствии со структурной схемой на рисунке 1.3, состав НС ПНО включает БИНС и АП СРНС. Основной недостаток БИНС - это снижение точности измерений параметров объекта с течением временем, поскольку происходит накопление погрешности в силу интегрального принципа действия. Через час работы ошибка при определении координат ИНС составляет от 1,8 км до 5 км [46- 48]. Для ее устранения используется коррекция данных БИНС с помощью АП СРНС.

СРНС так же имеет свои особенности работы. Во-первых, это зависимость точности определения координат от числа НКА и их геометрической конфигурации (коэффициент геометрии). Для получения минимально необходимого объема навигационной информации (координаты объекта и время) от АП СРНС необходимо иметь минимум 4 НКА расположенных в виде тетраэдра.

В настоящее время (согласно данным СДКМ (Российская система дифференциальной коррекции и мониторинга)) над территорией РФ имеется

достаточное количество наблюдаемых НКА для получения навигационных данных, например для ГЛОНАСС 8-9 НКА, для СРНС Global Positioning System (GPS) 10 -11 НКА.

Системный анализ НС ПНО показывает, что особенности работы НС связаны с наличием в их составе АП СРНС. Недостатком работы АП СРНС является то, что в произвольный момент времени возможны или кратковременное отсутствие, или искажение радиосигнала на входе АП СРНС, или передача ложной навигационной информации на определенных территориях.. Радиосигнал на входе АП СРНС может отсутствовать по причине затенения приемной антенны, выхода из строя бортовой аппаратуры навигационного космического аппарата (НКА), влияния многолучевости распространения сигналов и выборочного отключения радиосигналов НКА (для СРНС типа GPS). Отсутствие радиосигнала на входе, пусть даже и кратковременное, негативно сказывается на достоверности данных, поэтому необходимо контролировать наличие сигнала на входе АП СРНС.

Помимо контроля наличия радиосигналов необходим так же контроль достоверности получаемой навигационной информации. Необходимо отметить, что даже при наличии радиосигнала на входе не всегда возможно получить достоверные данные от АП СРНС. Это связано с тем, что радиосигнал может быть искажен из-за воздействия большого числа помех как естественных, так и искусственных. Источниками естественных помех являются грозовые разряды, солнечное излучение, северное сияние, ионосфера. Наибольшее влияние на АП сигналов GPS/ГЛОНАСС оказывают преднамеренные помехи, имитирующие сигнал, идущий от НКА. Влияние этих помех приводят к искажению навигационного радиосигнала и, как следствие, получению неточных и ложных навигационных данных.

Помимо пропадания или искажения радиосигнала при воздействии естественных и искусственных помех, СРНС подвержены и целенаправленному воздействию. Так, при разработке СРНС GPS использовали следующие принципы: preservation, protection и prevention. Их реализация позволяет:

1) сохранить качество предоставления услуг гражданским пользователям за пределами территорий военных действий;

2) защитить военную навигацию в боевых действиях;

3) предотвратить использование GPS вероятным военным противником.

Результатом применения данных принципов является то, что в СРНС GPS

существует возможность выборочного отключения радиосигналов НКА или искажения навигационных данных передаваемых спутниковыми радиосигналами НКА на определенных территориях, то есть возможна передача ложной информации потребителям на определенных территориях.

Выше перечисленные особенности, такие как отсутствие радиосигнала или искажение навигационных данных в радиосигнале, оказывают негативное системное влияние на работу АП СРНС и не позволяют обеспечить как высокую точность определения координат ПНО, так и требуемую достоверность навигационных данных в НС. Для её обеспечения и снижения влияния особенностей работы СРНС в системе осуществляется контроль целостности. Под контролем целостности навигационной информации понимается систем мероприятий по мониторингу состояния радионавигационного поля СРНС и своевременному оповещению потребителей СРНС о снижении качества навигационного обслуживания. Характеристиками контроля целостности СРНС является вероятность обнаружения недопустимого ухудшения в работе системы СРНС и время, по истечении которого должно поступить сообщение о нарушении функционирования СРНС. Время необходимое для выявления факта нарушения целостности навигационной информации для ПНО - 5-30с [22].

Контроль целостности подразделяется на [7,8]:

1. Внешний контроль, производимый с помощью аппаратуры навигационного спутника, наземного контрольного сегмента и систем дифференциальной коррекции. В этом случае при обнаружении неисправности НС или недостоверности данных от НС, наземным сегментом формируется признак неисправности, которые передается потребителю в навигационном сообщении.

Недостатки использования внешнего контроля целостности:

• не автономность использования и несвоевременность оповещения потребителя о неисправности спутника;

• дополнительные затраты на организацию канала оповещения;

• ограниченность действия систем дифференциальной коррекции и необходимость создания специализированного канала связи контрольной станции с потребителями;

• невозможность контролировать работоспособность АП СРНС;

• невозможность непрерывного контроля в силу ограниченной видимости НС.

2. Внутренний или автономный контроль, выполняется в АП СРНС [34,4958]. Автономный контроль целостности является более перспективным, так как лишен перечисленных выше недостатков и может быть использован для обеспечения достоверности данных АП СРНС. Он заключается в создании системы контроля целостности данных АП СРНС, которая обеспечивает контроль наличия радиосигналов на входе приемника СРНС и контроль достоверности данных АП СРНС. В случае обнаружения факта отсутствия радиосигнала или недостоверных данных система будет снижать их воздействие на решение навигационной задачи.

Системный анализ показывает, что производимые в настоящее время НС ПНО, представленные в таблице 1.4, не имеют систем внутреннего контроля целостности, используя лишь внешний контроль целостности. Поэтому необходимо дополнить их системами контроля, использующими

специализированные алгоритмы обработки информации и создать в итоге новый НС с отличной от других структурной схемой.

1.3 Выбор методов обработки информации в навигационных системах подвижных наземных объектов

Анализ концепций построения перспективных навигационных систем показывает, что наиболее перспективными будут интегральные НС. Для создания таких систем необходимо наличие в их составе информационной системы, включающей в себя информационные каналы, которые представляют собой функционально завершенную процедуру обработки сигналов и информации для успешного решения конкретной задачи.

Повысить качество обработки сигналов и информации (точность, помехоустойчивость, надежность, целостность) в информационной системе возможно за счет реализации двух взаимодополняющих друг друга направлений. Первое это усовершенствование систем и устройств, входящих в состав НС, а также введение в её состав новых устройств и систем с более высокими характеристиками качества функционирования. Второе - это разработка алгоритмического обеспечения [59-65].

В рамках первого направления роль перспективных систем выполняют среднеорбитальные спутниковые радионавигационные системы ГЛОНАСС и NAVSTAR или по ее фактическому назначению GPS. Данные системы в последние время повсеместно применяются для решения задач навигации.

Среднеорбитальные СРНС - это сетевые системы непрерывного действия, обеспечивающие глобальное высокоточное определение координат местоположения в пространстве и составляющих вектора скорости потребителей, а также определение углового положения объекта в заданной системе координат.

Основными преимуществами являются [7,66]: высокая точность определения координат и составляющих скорости во всей пространственной области; однозначность навигационных определений, выдаваемых в единой для всех потребителей системе координат; независимость точности от времени суток, сезонов года и гидрометеоусловий; высокая помехоустойчивость; возможность

измерения углов ориентации; неограниченное число обслуживаемых объектов; возможность при одном и том же радионавигационном поле применять приемоиндикаторную аппаратуру разных классов точности и оперативности с различным составом определяемых параметров.

Аппаратура потребителей, используемая для приема сигналов СРНС может быть одноканальной, многоканальной и мультиплексной.

В таблице 1.5 представлены некоторые образцы аппаратуры потребителей отечественного производства, работающей по сигналам СРНС ГЛОНАСС и NAVSTAR и ее точностные характеристики для стандартного режима.

Таблица 1.5 - Точностные характеристики отечественной аппаратуры приема сигналов СРНС ГЛОНАСС и NAVSTAR

Наименование аппаратуры Разработчик Точность определения навигационных параметров (СКО) Число каналов

координат, м скорости, см/с

«Альфа - К» РНИИ КП 90 - 100 8 - 10 6 - 12

«Гном - М» РНИИ КП 80 - 90 12 - 15 6 - 12

«Грот» РНИИ КП 25 - 30 5 - 7 12

«Вертикаль» НПО ПМ 15 - 20 3 - 5 6

АСН-22 РИРВ 25- 30 - 18

НАВИС СН-3301 КБ НАВИС 15 - 20 8 - 10 14

«Интер - А» МКБ КОМПАС 25 - 30 10 - 30 12

А-744 «Котлин» 30 - 35 15 - 20 6

При работе аппаратуры потребителей по защищенному коду (измерение псевдодальности по фазе несущей частоты) характеристики точности значительно улучшаются и погрешность определения координат местоположения, например в

многоканальной аппаратуре при геометрическом факторе равном единице, не превышает 5 м (стS < 5 м).

Для удовлетворения более высоких требований точности навигационно-временных определений используется дифференциальный режим,

обеспечивающий компенсацию систематических погрешностей относительных и абсолютных измерений общих для всех потребителей. Дифференциальная подсистема, используемая для его обеспечения, включает в свой состав [7]:

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Сурков Владимир Олегович, 2020 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Сурков, В. О. Сравнительный анализ отечественных и зарубежных систем навигации подвижных наземных объектов / В.О. Сурков // Молодой ученый. — 2015. — №13. — С. 211-214.

2. Сурков, В. О. Анализ точностных характеристик систем навигации подвижных наземных объектов и их сравнение с требуемыми характеристиками в зависимости от решаемой задачи / В.О. Сурков // Молодой ученый. — 2016. — №14. — С. 170-173.

3. Сурков, В. О. Анализ состава существующих систем навигации для подвижных наземных объектов и выбор наиболее перспективного состава, исходя из требований точности и надежности // Современные тенденции технических наук: материалы II Междунар. науч. конф. (г. Уфа, май 2013 г.). — Уфа: Лето, 2013. — С. 20-24.

4. Сурков, В. О. Облик перспективной навигационной системы для подвижного наземного объекта / В.О. Сурков // Молодой ученый. — 2014. — №12. — С. 107-110.

5. Сурков, В. О. Концепция построения навигационных систем подвижных наземных объектов / В.О. Сурков // Молодой ученый. — 2015. — №9. — С. 302-304.

6. Козорез, Д. А. Состав и структура автономных систем навигации и управления роботизированного прототипа автомобиля / Д. А. Козорез, Д. М. Кружков // Спецтехника и связь. - 2012. - №3. - С. 15-18.

7. ГЛОНАСС. Принципы построения и функционирования / Под ред. А.И. Перова, В.Н. Харисова. Изд 3-е, перераб. - М.: Радиотехника, 2005,688 с., ил.

8. Сурков, В. О. Анализ методов контроля целостности спутниковых радионавигационных систем в навигационных системах подвижных наземных объектов / В.О. Сурков // Молодой ученый. — 2016. — №13. — С. 219-221.

9. Сурков, В. О. Методы диагностирования, используемые в навигационных системах подвижных объектов / В.О. Сурков // Молодой ученый.

— 2016. — №14. — С. 173-176.

10. Сурков, В. О. Анализ методов диагностирования, используемых в навигационных системах подвижных объектов / В.О. Сурков // Молодой ученый.

— 2015. — №15. — С. 190-192.

11. Иванов, А.В. Обработка сигналов спутниковых радионавигационных систем в навигационно-посадочном комплексе./ А.В. Иванов // Радиотехника. -2001.- №10. — С. 29-36

12. Иванов, А.В. Системные оптимальные алгоритмы обработки информации в навигационных системах подвижных наземных объектов с контролем целостности навигационного обеспечения/ А.В. Иванов // Радиотехника. - 2010.- №12. — С. 15-20.

13. Ярлыков, М.С. Марковская теория оценивания случайных процессов / М.С. Ярлыков, М.А. Миронов. - М.: Радио и связь, 1993. - 464 с.

14. Миронов, М.А. Оптимальный контроль технического состояния радиоэлектронного оборудования в процессе функционирования/М.А. Миронов // Основные вопросы теории и практики надежности - Минск: Наука и техника, 1982, - С. 23-44.

15. Миронов, М.А. Оптимальные дискретные алгоритмы функционального диагностирования технического состояния динамических систем / М.А.Миронов, М.С.Ярлыков// Автомат. и телемех. - 1985 - № 10 - С. 144-152.

16. Google: сайт компании. Режим доступа: http://www.google.com (дата обращения: 31.07.2015).

17. RoboCV: сайт компании. Режим доступа: http://robocv.ru (дата обращения: 03.08.2015).

18. Audi: сайт компании. Режим доступа: http://www.audi.com (дата обращения 06.08.2015).

19. BMW: сайт компании. Режим доступа:http://www.bmw.com/com/en/insights/technology/connecteddrive/2013/index. html (дата обращения 10.08.2015).

20. Государственный стандарт РФ ГОСТ 19156-79 Аппаратура навигационная наземная одометрическая. Термины и определения-Введ. 1980-06-30.— М.: Изд-во стандартов, 1980.— 6с.

21. Государственный стандарт РФ ГОСТ Р 54029-2010: Глобальная навигационная спутниковая система. Системы диспетчерского управления специальным автомобильным транспортом муниципальных служб. Требования к архитектуре, функциями решаемым задачам системы диспетчерского управления транспортом по вывозу твердых бытовых отходов - Введ. 2011-1130.— М.: Изд-во стандартов, 2011.— 12 с.

22. Радионавигационный план Рос. Федерации: утв. приказом Министерства промышленности и торговли РФ от 2 сентября 2008 г. № 118: в редакции приказа Министерства промышленности и торговли РФ от 31 августа 2011 г. № 1177. [Электронный ресурс]. Доступ из справ.-правовой системы «КонсультантПлюс»

23. Ривкин, С.С. Статистическая оптимизация навигационных систем / С.С. Ривкин, Р.И. Ивановский, А.В. Костров. - М.: Судостроение, 1976. - 280 с.

24. Красовский, А.А. Теория корреляционно-экстремальных навигационных систем / А.А. Красовский, И.Н. Белоглазов, Г.П. Чигин. - М.: Наука, 1979. - 447 с.

25. Сурков, В. О. Общие принципы построения навигационных систем и направления повышения качества их работы / В.О. Сурков // Молодой ученый. — 2014. — №9. — С. 211-214.

26. Тихонов, В.И. Марковские процессы / В.И. Тихонов, М.А. Миронов. -М.: Сов.радио, 1977. - 487 с. 110

27. Booton, R.C. Nonlinear control systems with random inputs. / R.C. Booton // Trans. IRE Profes. Group on Circuit Theory - 1954. - Vol. CT-1, №1. - P. 9-18.

28. Стратонович, Р.Л. Условные марковские процессы и их применение к теории оптимального управления / Р.Л. Стратонович. - М.: МГУ, 1966. - 319 с.

29. Стратонович, Р.Л. Применение теории процессов Маркова для оптимальной фильтрации сигналов / Р.Л. Стратонович // Радиотехника и электроника. - 1960. - №11. - С. 1751-1763.

30. Тихонов, В.И. Нелинейная фильтрация и квазикогерентный прием сигналов / В.И. Тихонов, Н.К. Кульман. - М.: Сов.радио, 1975. - 704 с.

31. Ярлыков, М.С. Применение марковской теории нелинейной фильтрации в радиотехнике / М.С. Ярлыков. - М.: Сов.радио, 1980. - 358 с.

32. Сейдж, Э.П. Теория оценивания и ее применение в связи и управлении / Э.П. Сейдж, Дж.Л. Мелса: пер. с анг. Б.Р. Левина. - М.: Связь, 1976 с. - 496 с.

33. Медич, Дж.С. Статистически оптимальные линейные оценки и управление / Дж.С. Медич; пер. с анг. А.С. Шаталова. - М.: Энергия, 1973. - 340 с. 111

34. Браммер, К. Фильтр Калмана-Бьюси / К. Браммер, Г. Зиффлинг. - М.: Наука, 1982. - 200 с.

35. Пудовкин, А.П. Перспективные методы обработки информации в радиотехнических системах: монография/А.П. Пудовкин, С.Н. Данилов, Ю.Н. Панасюк.-СПб.: Экспертные решения,2014.-256 с.

36. Сурков, В. О. Общие принципы построения навигационных систем и направления повышения качества их работы / В.О. Сурков // Молодой ученый. — 2014. — №9. — С. 211-214.

37. Онучин, О. Н. Интегрированные системы ориентации и навигации для морских подвижных объектов / О. Н. Онучин, Г. И. Емельянцев; под общей ред. чл.-кор. РАН В. Г. Пешехонова. - СПб. : ЦНИИ «Электроприбор», 1999. - 357 с

38. Сурков, В. О. Облик навигационной системы для подвижного наземного объекта и принципы его формирования / В.О. Сурков// Молодой ученый. — 2015. — №17. — С. 273-276.

39. Сурков, В. О. Сравнительный анализ отечественных и зарубежных систем навигации подвижных наземных объектов / В.О. Сурков // Молодой ученый. — 2015. — №13. — С. 211-214.

40. Иванов, А. В. Системные оптимальные алгоритмы обработки информации в навигационных системах подвижных наземных объектов с контролем целостности навигационного обеспечения / А. В. Иванов // Радиотехника . - 2010 . - N 12 . - С. 15-25

41. Иванов, А. В.Оптимальные алгоритмы обработки информации в навигационных системах наземных подвижных объектов с автономным контролем целостности навигационных данных спутниковых радионавигационных систем / А. В. Иванов, Д. В. Комраков // Радиотехника и электроника. -2017. - № 4(62). - С. 332 - 343.

42. Навигационные системы для систем автоматического управления автомобилем / А. В. Иванов [и др.] // Исследования молодых ученых: материалы IV Междунар. науч. конф. (г. Казань, ноябрь 2019 г.). — Казань: Молодой ученый, 2019. — С. 14-19.

43. Государственный стандарт РФ ГОСТ Р 52399-2005Геометрические элементы автомобильных дорог- Введ. 2006-04-30.— М.: Изд-во стандартов, 2006.— 12 с.

44. Сурков, В. О. Сравнительный анализ принципов построения отечественных и зарубежных систем навигации подвижных наземных объектов / В. О. Сурков // Молодой ученый. — 2015. — №14. — С. 195-198.

45. Сурков В. О. Системы навигации подвижных наземных объектов и их характеристики / В. О. Сурков // Молодой ученый. — 2015. — №9. — С. 298-302.

46. Точные ИНС [Электронный ресурс] // АО Инерциальные технологии «Техносистема». - URL: http://www.inertech.ru/ru/inertial-navigationsystems. html (дата обращения 28.09.2016).

47. КомпаНав-3 [Электронный ресурс] // ООО «ТеКнол». - URL: http://www.teknol.ru/products/products-new/companav-3 (дата обращения 12.02.2016).

48. Автономные и корректируемые инерциальные навигационные системы [Электронный ресурс] // АО «Московский институт электромеханики и автоматики». - URL: http://aomiea.ru/ins.html (дата обращения 12.02.2016).

49. Варавва, В.Г. Контроль целостности GNSS в бортовых навигационных системах/ В.Г.Варавва, В.А. Кирейченко // Проблемы безопасности полетов. -1992 - № 9. - C. 47 - 56.

50. Stürza, M.A. Navigation System Integrity Monitoring Using Redundant Measurements/M.A. Stürza // Navigation: Journal of The Institute of Navigation. -1989. - Vol. 35, Issue 4. - P. 483 - 501.

51. Durand, J.M. GPS Availabiliry, part 1 (11) vaiability of Service Achievable for Different Categories of Civil Users / J.M. Durand, N. Michol, J. Bouchard // Navigation: Journal of The Institute of Navigation. -1990. - Vol. 37, Issue 2(3). - P. 3136.

52. Brown, R.G., Patrick Y.C. Hwang GPS Failure Detection by Autonomous Means Within the Cockpit / R.G. Brown, Y.C. Hwang Patrick // Navigation: Journal of The Institute of Navigation. - 1986. - Vol. 33, Issue 4. - P. 335 - 353.

53. Brown, R.G., Mc Burney P.W. Selfcontained GPS Integrity Chear Using Maximun Solution Separation/ R.G. Brown, P.W. Mc Burney // Navigation: Journal of The Institute of Navigation. - 1986. - Vol. 35, Issue 1. - P. 41 - 53.

54. Веремеенко, К.К. Целостность навигационного поля / К.К. Веремеенко, Р.Ю. Зимин // Интегрированные спутниковые навигационные системы. - 2009. - № 4. - с. 38-42.

55. Parkinson, B.W., Axelrad P. Autonomous GPS Integrity Monitoring Using the Pseudorange Residual / B.W. Parkinson, P. Axelrad // Navigation: Journal of The Institute of Navigation. - 1988. - Vol. 35, Issue 2. - P. 255 - 274.

56. Development of automatic navigation management system for small unmanned aerial vehicle / Abdulin R.R. [et al.] //Special Control Systems Magazine. -2009. - Т. 237. - P. 10-16.

57. Сетевые спутниковые радионавигационные системы. / В.С. Шебшаевич, П.П. Дмитриев, Н.В. Иванцевич и др./ Под ред. В.С. Шебшаевича. -

М.: Радио и связь, 1993. - 408 с., Ярлыков М.С. Статистическая теория радионавигации. - М.: Радио и связь, 1985. - 344 с.

58. Буравлев, А.И. Основы концепции построения интегрированных интерактивных комплексов авиационного вооружения / А.И. Буравлев [и др.] // Радиотехника. - 1996. - № 9. - С. 70-74.

59. Сурков, В. О. Направления повышения качества функционирования навигационных систем для подвижных наземных объектов при решении навигационных задач / В. О. Сурков // Молодой ученый. — 2015. — №13. — С. 209-211.

60. Сурков, В. О. Повышение качества работы навигационных систем подвижных наземных объектов за счет радиотехнических измерителей / В. О. Сурков // Молодой ученый. — 2016. — №12. — С. 389-391.

61. Сурков, В. О. Повышение достоверности навигационных измерений в навигационных системах подвижных наземных объектов / В. О. Сурков // Молодой ученый. — 2016. — №14. — С. 168-170.

62. Сурков, В. О. Снижение влияния условий функционирования на работу навигационной системы подвижного наземного объекта / В. О. Сурков // Молодой ученый. — 2016. — №13. — С. 222-223.

63. Комраков, Д.В. Контроль целостности навигационных данных спутниковых навигационных систем в навигационных системах наземных подвижных объектов / Д.В. Комраков// Современное состояние и перспективы развития систем связи и радиотехнического обеспечения в управлении авиацией: сборник статей по материалам докладов ВНПК курсантов, слушателей, молодых ученых, посвященной 95-летию со дня образования войск связи. - 2014. - С. 159160.

64. Ярлыков, М.С. Заход на посадку и посадка самолётов по сигналам спутниковых радионавигационных систем / М.С. Ярлыков, Н.Д. Пригонюк // Радиотехника. - 2001. - № 1. - С. 30-43.

65. Комраков, Д.В. Контроль целостности навигационных данных спутниковых систем в навигационных системах наземных объектов/ Д.В.

Комраков// Материалы XXVII Международной конференции «Математические методы в технике и технологии - ММТТ-27», 3-5 июня 2014 г. — Тамбов: ТГТУ, 2014, Том 4. - С.167 - 169.

66. Тихонов, В.И. Оптимальный прием сигналов. - М.: Радио и связь, 1983. - 320 с.

67. Иванов, А.В. Алгоритмы обработки информации в навигационных системах наземных подвижных объектов с контролем целостности навигационных данных спутниковых радионавигационных систем / А.В. Иванов, Д.В. Комраков, В.О. Сурков // Вопросы современной науки и практики. Университет им. В. И. Вернадского . - 2014. - №52. - с. 53-58.

68. Комраков, Д.В. Оптимальные алгоритмы обработки информации в навигационных системах наземных подвижных объектов с автономным контролем целостности навигационных данных /Д.В. Комраков // Актуальные проблемы энергосбережения и энергоэффективности в технических системах: материалы междунар. конф. с элементами научной школы. Тамбов, 23-24 апреля 2015 г - С. 333-335

69. Иванов, А.В. Автономные системы контроля целостности навигационных данных спутниковых радионавигационных систем / А.В. Иванов // Радиотехника. - 2014.- №7. - С. 55-64.

70. Коблов, В.Л. Принципы построения радиоэлектронных комплексов интегрального типа / В.Л. Коблов, М.С. Ярлыков // Радиотехника. - 1987.-№2. -С. 20-28.

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

72. Сосулин, Ю.Г. Теория обнаружения и оценивания стохастических сигналов / Ю.Г. Сосулин. - М. : Сов. радио, 1978. - 320с.

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

74. Ярлыков, М.С. Применение марковской теории нелинейной фильтрации в радиотехнике / М.С. Ярлыков. - М. : Сов. радио, 1980. - 358 с.

75. Иванов, А.В. Совместное многоальтернативное обнаружение и оценивание сигналов спутниковых радионавигационных систем / А.В. Иванов // Радиотехника. - 2004. - № 7. - С. 29-36

76. Иванов, А.В. Комплексная система межсамолетной навигации на основе спутниковых радионавигационных систем / А.В. Иванов // Успехи современной радиоэлектроники. - 2008. - № 11. - С. 51-63.

77. Иванов, А.В. Оптимизация и комплексирование обработки информации в навигационно-посадочном системе с контролем целостности навигационного обеспечения по информации барометрического высотомера / А.В. Иванов // Радиотехника. - 2009. - № 7. - С. 72-82.

78. Иванов, А.В. Алгоритмы адаптивного оценивания координат наземных подвижных объектов с идентификацией навигационных данных СРНС/ А. В. Иванов, В. О. Сурков // Материалы 5-ой Международной научно-технической конференции студентов, молодых ученых и специалистов «Энергосбережение и эффективность в технических системах», 4-6 июня 2018 г. -- Тамбов: ТГТУ, 2018. - С.335 - 336.

79. Иванов, А.В. Обработка сигналов спутниковых радионавигационных систем в бортовом навигационно-посадочном системе / А.В Иванов // Марковская теория оценивания в радиотехнике / под ред. М.С. Ярлыкова. - М.: Радиотехника, 2004.- Разд. 7.4 - С. 319 - 329

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

81. Иванов, А.В. Обработка многомерных сигналов. Нелинейная многомерная обработка сигналов спутниковых радионавигационных систем в системах самолетовождения. - М.: Радиотехника, 2012.- 176 с

82. Ярлыков, М.С. Помехоустойчивый навигационно-посадочный систем на основе спутниковой радионавигационной системы / М.С. Ярлыков, А.А. Базаров, С.С. Салямех // Радиотехника. - 1996. - № 12. - С. 3-11.

83. Иванов, А.В. Навигация наземных объектов / А.В. Иванов, Н.А. Иванова. - LAPLAMBERT Academic Publishing, 2013. - 120 с.

84. Иванов, А. В. Идентификация и адаптивное оценивание дискретно-непрерывных процессов/ А. В. Иванов, В. О. Сурков // Радиотехника. - 2018. - № 10. - C.81-91.

85. Иванов, А.В. Применение гауссовской аппроксимации в алгоритмах идентификации и адаптивного оценивания, используемых в навигационных системах подвижных наземных объектов на основе спутниковых радионавигационных систем/ А. В. Иванов, В. О. Сурков, Н. А.Лежнева// Успехи современной радиоэлектроники. - 2020.- № 3. - С.38-46.

86. Гантмахер, Ф.Р. Теория матриц. 3-е издание. М.: Наука, 1967.

87. Оптимизация стохастических систем. М. Аоки. Перевод с английского. Изд-во «Наука», Главная редакция физико-математической литературы, М., 1971,421 стр.

88. Ярлыков, М.С. Нелинейная фильтрация дискретно-непрерывных марковских процессов. / М.С.Ярлыков, В.А. Смирнов // Радиотехника и электроника. - 1975. - Т. 20. № 2. - С. 280-287.

89. Тихонов, В.И. Оптимальная фильтрация дискретно-непрерывных процессов/ В.И. Тихонов, В.Н. Харисов, В.А. Смирнов.//Радиотехника и элекроника. - 1978. - Т. 23, № 7. - С. 1442-1452.,

90. Иванов, А. В. Алгоритмы адаптивного оценивания и идентификации для навигационных систем подвижных наземных объектов на основе спутниковых радионавигационных систем / А. В. Иванов, В. О. Сурков // Успехи современной радиоэлектроники. - 2019. - № 5. - C25-39.

91. Иванов, А.В. Квазиоптимальные алгоритмы обнаружения, идентификации и адаптивного оценивания для обработки информации в навигационных системах наземных подвижных объектов на основе спутниковых радионавигационных систем/ А. В. Иванов, В. О. Сурков, Д.В. Комраков // Радиотехника и электроника - 2020. - №6 (65). - С. 568-577.

92. Ivanov, A.V. Quasi-Optimal Algorithms for Detection, Identification, and Adaptive Estimation for Information Processing in Navigation Systems of Mobile Ground Objects Based on Satellite Radio Navigation Systems/ A. V. Ivanov, V. O. Surkov, D. V. Komrakov// Journal of Communications Technology and Electronics -2020.- № 6(65). - P. 609-618.

93. Государственный стандарт РФ ГОСТ 27.310 Надежность в технике. Анализ видов, последствий и критичности отказов. Основные положения — Введ. 1997-01-01.— М.: Изд-во стандартов, 1997.— 12 с.

94. Иванов, А.В. Радиолокационные и радионавигационные системы: учебное пособие / С. Н. Данилов, А.В. Иванов. - Тамбов: Изд-во ФГБОУ ВО «ТГТУ», 2017.

95. Точность навигационных определений GPS[Электронный ресурс] // Российская система дифференциальной коррекции и мониторинга (СДКМ). -URL: https://www.sdkm.ru/smglo/st_gps?version= rus&repdate&site=extern (дата обращения 18.08.2018)

96. Study of problem solution quality for detection of discrete failure parameter by complex adaptive data processing algorithms for mobile ground object navigation systems. /A. V. Ivanov [et al.]// Journal of Physics: Conference Series, Volume 1260, Issue 3, article id. 032020(2019).

ПРИЛОЖЕНИЕ А Расчет требуемых значений точности определения координат местоположения подвижного наземного объекта навигационной системой, включенной в состав системы автоматического управления автомобиля

Предположим, что ПНО (автомобиль) шириной Ь движется по дороге с шириной полосы движения Э. Ошибки отклонения ТС от требуемого местоположения по оси Х и оси У будем характеризовать СКО соответственно ах

и аУ. Для определения ах и аУ рассмотрим следующие случаи: 1. Движение по прямой (рисунок А1).

О

<-►

Рисунок А1 - Движение транспортного средства по прямой

Текущее положение ПНО определяется НС с некоторой ошибкой, которая в данном случае является случайной величиной. Предельное значение ошибки с вероятность 0,99 не должно превышать значения А. Это значит что, значение 3а х = А. В случае если погрешность позиционирования получается больше чем, Б — Ь

А = —-—. ПНО окажется за пределами полосы движения, произойдет выезд,

движение за пределами полосы движения и как следствие возможна потенциальная аварийная ситуация.

Получим формулу для вычисления а х

Б - Ь

а х =

6

2.Поворот с радиусом Я на 90 ° (рисунок А2).

01

J Л1 >4 у- у- ---1 1

г

J Л1

1 г

О?

р

Л

I

Л

р

Рисунок А2 - Поворот транспортного средства на 90 °

На рисунке 1.5 показана приемлемая точка для начала поворота на 90° ПНО (точка О). Координаты данной точки определяются НС с некоторой ошибкой, которая является случайной величиной. Предельное значение ошибки с

Б - Ь

вероятность 0,99 не должно превышать значения Д1 = —-—. Это значит что,

значение 3аУ = Д1. В случае если погрешность позиционирования получается

Б - Ь

больше чем —-—. ПНО как и в первом случае окажется за пределами полосы

движения. Получим формулу для вычисления а

У

Б - Ь ау =—'

Для нахождения ах и аУ используем данные о ширине полосы движения взятые из [43] и габариты ПНО эксплуатирующихся в настоящее время на дорогах. В результате получим зависимость ах и аУ от ширины Ь ПНО при различной ширине проезжей части.

Таблица 1 - Ширина полосы движения для дорог различной категории

Параметры элементов дорог Автомагистраль Скоростная дорога Автомобильные дороги обычного типа (нескоростная дорога) категории

1А 1Б 1В II III IV V

Общее число полос движения, шт. 4 и более 4 и более 4 и более 4 2 2 2 1

Ширина полосы движения, м 3,75 3,75 3,75 3,5 3,75 3,5 3,0 4,5

ПРИЛОЖЕНИЕ Б Вычисление матрицы М2 и матрицы Р

Для нахождения неизвестных матриц приравняем показатели экспонент (3.39) и (3.40):

[Е2&+1) - Б х Х(^, ц к) - F - С\тВ^1Щ2(1к+1) - Б х Х(^, ц,) - Р - С] + + [Х&, ц к) - X* (^ - 0, ц к )]т К 1 [ Х^, ц к) - X* (1к+1 - 0, ц к)] = (Б 1)

= [Е2 (^) - М2 ]т Р-1[32 &+1) - М2 ] + [Х(^, цк) - А]т В 1 [Х(^к, цк) - А]. Раскроем скобки в левой и правой частях (А1):

ЕТ (^ )В33&+1) - Е2 &+1 )В33 Б х Х(^, цк) - Е2 (^ )В33^ -

- ЕТ (Гк+1 )Вее С - Хт (гк, цк )БТВЕЕ-1Е2 (^) +

+ Хт Цк, цк )БТВее Б х Х(^, цк) + Хт Цк, цк )БТВее+ + Хт (1к, ц к )БтВее С - РТВ ее~1Ег(гк+1) + FTв^lD х Х(1к, ц к) + + РТВ33+ ртВ33-1С-СТВ33(^,) + СТВ33 БхХ(^,ц) + + СТВ ЕЕ^ + СТВ ее -1С + Хт , ц к) К-Х^к, ц к ) -

- Х*т (^ - 0, ц к )К-1Х(^к, ц к) - Хт (гк, ц к )К-1Х*(^к+1 - 0, ц к) +

+ Х*т(^ -0,цк)К-1Х*(^к+1 -0,ц) = Е/(^к+1 )Р1 Е2(Гк+1)-Е/(^к+1 )Р-1М2Т -

- М2ТР1 Е 2 (¿к+1) + М2ТР -1М2Т + Хт (гк, ц к )В -1Х(^к, ц к) -

- Хт (1к, ц к )В-1А - АТВ -1Х(^, ц к) + АТВ-1А.

и сравнивая коэффициенты при одинаковых переменных в выражении (Б2), получим:

Хт (Г к, ц к )В-1Х(^к, ц к) = Хт (Г к, ц к )К-1Х(^к, ц к) +

(Б2)

(Б3)

+ Хт (Гк, ц к )БВ3 е-1Б х Х&, ц к).

т

Вынесем в правой части (Б3) за скобку общие множители Х (¿к, ц) и Х(гк, ц). Тогда:

Хт «к, цк )В-1Х(к, цк) = Хт «к, цк )(К-1 + БТВ ее-1Б) х Х&, цк). (Б4)

Из (Б4) следует, что:

В-1 = К-1 + БВНН -Б. (Б5)

Найдем матрицу В. Для этого возьмем обратную матрицу от левой и правой частей выражения (Б5):

(В-1) 1 = (К 1 + БВНН-1Б) 1. По свойству обратной матрицы [86] (В_1)-1 = В, поэтому В примет вид:

В = (К 1 + БВНН-1Б)-1.(Б6) Найдем матрицу А. Сравнив коэффициенты при одинаковых переменных в выражении (А2) получим

- Хт (Гк, ц, )В-1А = -Хт (Гк, ц к )ВТВ33-132 (^) + Хт (Гк, ц к )ВТВ33^ +,

(Б7)

+ Хт (Гк, цк )БТВ33-1с - Хт (Гк, цк )К-1Х* (^ - 0, цк). Вынесем в правой части выражения (А7) общий множитель [- Хт (Хк ,цк )] за скобку. Тогда выражение (А7) примет вид

- Хт (гк, ц к )В-1А = -Хт (гк, ц к )(БТВ__-1Е2 (^) + БВ аа-1Ж +

(Б 8)

+ БВ55-1С + К-1Х*(Хк+! - 0, цк )). Из (3.48) следует, что:

В-1А = БТВН(Ь+1) + 0ТВн-1р + 0ТВн-1С + К-1Х* (гк+1 - 0, ц ). (Б9)

Умножим обе части выражения (Б9) на В слева и, используя свойство обратной матрицы ВВ-1 = 1 [86] получим, что матрица А имеет вид

А = ВфХ,-^ (^ ) - БВ^ - БВ^С + К-1Х* (^ - 0, цк)). (Б 10) Найдем матрицы М2, Р .

Для этого к левой части выражения (Б2) прибавим и вычтем АТВ-1А. В результате получим:

32 &+! )В 55-132 &+!) - 32 (^ )В ^б х Х(*к, ц к) - 32 &+, )В 55-1р -

- 3\(Хк+,)В55-1С - -Хт &,цк)БТВ55-132(Хк+,) +

+ Хт (Хк, цк )Бт В55-1Б х Х&, цк) + Хт (Хк, цк )Бт В55-1Р + + Хт(Хк,цк)БтВ55-1С - РтВ55-132(Хк+1) + РтВ55-Бх Х(Хк,цк) + + Рт В 55-1Р + Рт В 55-1С - Ст В 55-132(Хк+1) + Ст В 55-1б х Х(Хк, цк) + + Ст В 55-1Р + Ст В 55-1С + Хт (Хк, ц к )К-1 Х(Хк, ц к) -

- Х*т (Хк+1 - 0, ц к )К1 Х(Хк, ц к) - Хт (Хк, цк )К -1Х*(Хк+!,-0.ц к) +

+ Х*т (Хк+1 - 0, ц к )К1 Х*(Хк+1 - 0, ц к) + (32 (^)В нн-1б - Рт В 55-1б - Ст В 55-1б + + Х*т(^ -0,цк)К-1)х В(БтВ55-132(Хк+1) -БтВ55-1Р - БтВ55-1С + + К-1 Х*^ - 0,цк)) - (32(^)Внн-1б- РтВ55-1б-СтВ55-1б + + Х*т (Хк+1 - 0, ц к )К-1) х В(Бт В 55-132(Хк+1) - Бт В 55-1Р - Бт В 55-1С + + К-1 Х*&+! - 0,цк)) =

= 32 т (гк+! )Р-132 (гк+!) - 32т (Хк+, )Р -1м2 т -

- М2т Р-132(?к+,) + М2т Р-1М2т + Хт (Хк, цк )В-1Х(Хк, цк) - Хт (Хк, цк )В-1 А - (Б 11)

- Ат В-1 Х(гк, ц к) + Ат В-1А.

Сравнивая коэффициенты при одинаковых переменных в выражении (Б 11) найдем, что:

32т )Р-132 ) = 32 (^ )В55-132 (^) - 32 (^ )В аа-1Б х х ВБт В ^^(О .

т

Вынесем в правой части (Б 12) за скобку общие множители 32(Хк+1) и 3 2 (Хк+1), тогда получим:

32т (Хк+1)Р-132(Хк+1) = 32(Хк+1)(В55-1 - В^БВБ В__-1)32(Хк+1). (Б13)

Из (А13) следует, что:

Р-1 = Внн-1 - Внн -БВБт Внн-1. (Б 14)

Найдем матрицу Р . Для этого возьмем обратную матрицу от левой и правой части выражения (Б14):

(Р-1)= (Внн- Взн-1БВБт Внн-1) Используя свойство обратной матрицы [85] (В-1)-1 = В, получим

Р = (Внн-1 - Внн-1БВБт вн-1 )-1. (Б 15)

(Б 17)

Найдем матрицу Mz. Сравнив коэффициенты при одинаковых переменных в выражении (А11) найдем, что

- s / (ik+l )P -MT = - s 2 (tk+l )b HH- 1F - s 2 (tk+l )B HH- с+

+ s 2 (tk+l )Bss- DBDT Bss- F + s 2 (tk+l )Bss- DBDTBss- C - (Б16)

-s \(tk+i)Bss- DBK- 1X*(tk+i -0,цk)

Вынесем в правой части (А16) общий множитель - s2T (tk+1)J за скобку

- s 2 ^ (tk+i )P-1MZ T = - s 2 (tk+1)(B SS-1F - s 2 (tk+1 )b ss-1c -

- Bss-1DBDTBss-1F - Bss-1DBDTBss-1C + BSH-1DBK-1 X* (t,+1 - 0, ц)).

Из (А15) следует, что:

P-1MZ T = (B__-1F - s 2 (tk+JB-^C - BH-1DBDr B__-F -

- Bss-1DBDrb__-1c + BH-1DBK-1X*(^ - 0, ц)).

Умножим обе части (Б 16) на P слева и, используя свойство обратной матрицы PP 1 = 1 [85] получим, что матрица Mz имеет вид:

M7 T = P(B__-1F + B__-1C - B__-1DBDT B__-1F - B__-1DBDT B__-1C

z 1 ( aa aa aa aa aa aa (Б19)

+ BHH- DBK X (tk+1 -0, цk)).

На основании матричных тождеств [87] матрицы P выражение (Б 15), и MZ , выражение (Б 19), преобразуются к виду

P = B__ + DKDT;

MzT = F + C + DX (tk+!-0,Цk).

(Б18)

ПРИЛОЖЕНИЕ В Патент на изобретение

ПРИЛОЖЕНИЕ Г Свидетельства о государственной регистрации программ

для ЭВМ

ПРИЛОЖЕНИЕ Д Акты о внедрении результатов диссертационной работы

комиссии о внедрении результатов диссертационной работы на соискание ученой степени кандидата технических наук на тему «Оптимальные адаптивные алгоритмы обработки информации в навигационных системах подвижных наземных объектов» аспиранта кафедры «Радиотехника» Тамбовского государственного технического университета Суркова Владимира Олеговича в учебном процессе Федерального государственного казенного военного образовательного учреждения высшего образования Военного учебно-научного центра Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж) Министерства обороны. Российской Федерации

Комиссия в составе:

председателя комиссии - начальника учебно-методического центра ВУНЦ ВВС «ВВА имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж) кандидата технических наук, доцента Шуклина И.К.,

членов комиссии - начальника кафедры управления штурманским обеспечением авиации и воздушной навигации кандидата военных наук Галушки С.А., начальника кафедры управления воинскими частями связи и радиотехнического обеспечения авиации доктора технических наук, профессора Федюнина П.А. составила настоящий акт о том, что материалы диссертационной работы Суркова В.О., опубликованные в открытой печати:

1. Сурков В.О., Иванов A.B., Комраков Д.В. Алгоритмы обработки информации в навигационных системах наземных подвижных объектов с контролем целостности навигационных данных спутниковых радионавигационных систем // Вопросы современной науки и практики. Университет им. В.И. Вернадского. 2014. №52. С. 53-58.

2. Сурков В.О. Принципы построения системы контроля состояния датчиков в навигационных системах подвижных наземных объектов // Научный журнал «Молодой ученый» / Учредитель и издатель журнала: ООО «Издательство Молодой ученый». 2016. № 13. С. 221-222.

АКТ

3. Сурков В.О. Методы диагностирования, используемые в навигационных системах подвижных объектов // Научный журнал «Молодой ученый» / Учредитель и издатель журнала: ООО «Издательство Молодой ученый». 2016. № 14. С. 173-176.

реализованы в учебном процессе на кафедре управления штурманским обеспечением авиации и воздушной навигации факультета обеспечения боевых действий авиации ВУНЦ ВВС «ВВА имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж) в рамках дисциплины «Навигация летательных аппаратов военного назначения», преподаваемой слушателям по специальности 292300 «Управление боевым обеспечением войск (сил)» специализации «Управление штурманским обеспечением авиации», на лекционном и практическом занятиях по теме №6 «Современное состояние и перспективы совершенствования прицельно-навигационных комплексов летательных аппаратов» в виде вопросов развития принципов, методов и алгоритмов контроля и диагностирования целостности навигационных данных спутниковых радионавигационных систем.

Использование диссертационных материалов позволяет достичь уровней обученности «знать»: современное состояние и перспективы совершенствования прицельно-навигационных комплексов; навигационные возможности прицельно-навигационных комплексов.

Председатель комиссии: к.т.н., доцент С^^^у_И. Шуклин

Члены комиссии:

к.в.н.

д.т.н., профессор

С. Галушка

П. Федюнин

.. «УТВЕРЖДАЮ» ^Ф^^^Ш^ктор ФГБОУ ВО «ТГТУ» ;____._Н.В. Мо.км кона

АКТ О ВНЕДРЕНИИ

результатов диссертационной работы соискателя ученой степени к.т.н. ФГБОУ ВО «ТГТУ» кафедры «Радиотехника» Суркова В.О. на тему «Оптимальные адаптивные алгоритмы обработки информации в навигационных системах подвижных наземных объектов».

Комиссия в составе: председателя комиссии - директора «Института энергетики, приборостроения и радиоэлектроники», д.т.н., профессора Чернышовой Т.И.; зам. директора «Института энергетики, приборостроения и радиоэлектроники», к.т.н., доцента Москвитина С.П.; зав. кафедры «Радиотехника», д.т.н., профессора Пудовкина А.П.; д.т.н., профессора кафедры «Радиотехника» Данилова. С.Н. составила настоящий акт о внедрении в учебный процесс ФГБОУ ВО «ТГТУ» результатов научных исследований по теме диссертации.

Рекомендации по применению методов марковской теории оптимального оценивания случайных процессов при синтезе алгоритмов обработки информации в навигационных системах подвижных объектов, а также полученные результаты научных исследований, используются в процессе обучения студентов по направлениям подготовки: 11.03.01 -Радиотехника (профиль - Радиотехнические средства передачи, приема и обработки сигналов) и 11.04.01 - Радиотехника (профиль - Системы и устройства передачи, приема и обработки сигналов) по дисциплинам «Статистическая теория радиотехническим систем», «Радиотехнические системы» «Проектирование радиотехнических систем и устройств», при проведении лекционных и практических занятий на кафедре «Радиотехника»

ФГБОУ ВО «ТГТУ».

Председатель комиссии: <2 3. //.

дата

Члены комиссии: ¿V

дата

подпись

Чернышева Т.И. Москвитин С.П. Пудовкин А.П. Данилов С.Н.

дата л /л

дата

юдпись

дата /

подпись

дата

подпись