Оптимизация алгоритмов инерциальной навигационной системы морских объектов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.03, кандидат технических наук Литвиненко, Юлия Александровна

• Литвиненко, Юлия Александровна
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Литвиненко, Юлия Александровна

Введение.

1 Состояние вопроса и постановка задачи исследования.

1.1 Задачи морской навигации и ориентации с использованием ИНС.

1.2 Описание ИНС.

1.3 Модели погрешностей чувствительных элементов.

1.4 Применение фильтра Калмана для обработки навигационной информации

2 Чувствительность фильтра Калмана к неопределенности модели погрешностей в задаче демпфирования ИНС по данным относительного лага.

2.1 Методы анализа чувствительности.

2.2 Минимаксная фильтрация с гарантированной точностью. Общие положения.

2.3 Синтез гарантирующего фильтра при неопределенности матрицы динамики вектора состояний.

2.4 Гарантирующий фильтр в задаче демпфирования инерциальной навигационной системы.

2.5 Гарантирующей фильтр при неопределенности интенсивности порождающих шумов и шумов измерения. ; 2.6 Анализ чувствительности алгоритмов демпфирования ИНС при аномальных возмущениях в показаниях относительного лага, результаты моделирования и экспериментальных исследований.

Выводы.

3. Румбовые погрешности чувствительных элементов ИНС.

3.1 Общие положения.

3.2 Особенности румбовой погрешности в ИНС ПА.

3.3 Способы аппроксимации румбовой погрешности.

3.4 Методы оценки румбовой погрешности.

3.5 Метод оценки румбовой погрешности с использованием принудительного вращения платформы с установленными на ней чувствительными элементами.

Выводы.;.

4 Задача контроля и диагностики информационных нарушений ИНС в составе навигационного комплекса.

4.1 Понятие информационных нарушений. Общие положения.

4.2 Информационные нарушения в ИНС.

4.3 Применение метода многоальтернативной фильтрации для контроля, диагностики и оценки информационных нарушений.

4.4 Восстановление ИНС после информационного нарушения.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оптимизация алгоритмов инерциальной навигационной системы морских объектов»

Актуальность темы диссертации

На сегодняшний день применение инерциальных навигационных систем (ИНС) при решении задач навигации подвижных объектов получило широкое распространение. Это связано, в первую очередь, с созданием высокоточных чувствительных элементов — гироскопов и акселерометров. Существенным фактором является также возможность применения эффективных вычислительных средств, характеризующихся малыми габаритами и высокой надежностью. Вместе с тем, кроме необходимости реализации так называемых алгоритмов "идеальной работы", возникает потребность в решении задач обработки информации, направленных на коррекцию и демпфирование ИНС, комплексирование нескольких ИНС, начальную калибровку чувствительных элементов.

Следует указать на необходимость решения применительно к ИНС задач контроля и диагностики информационных нарушений чувствительных элементов, а так же учета неопределенности моделей погрешностей ИНС и действующих на нее внешних возмущений.

Все эти задачи в общей постановке представлены в современной литературе. Укажем на работы отечественных авторов: Ривкина С.С., Челпанова И.Б., Несенюка Л.П., Небылова А.В., Одинцова А.А, Дмитриева С.П., Степанова О.А., Емельянцева Г.И. и др.

Рассмотрение в диссертации этих вопросов применительно к ИНС морских объектов с учетом специфики системы при формировании ее алгоритмического обеспечения, направленное на повышение эффективности ИНС, и определяет актуальность темы выполненной работы.

Цели и задачи работы

Целью работы является оснащение ИНС современной алгоритмической базой, направленной на решение задач:

- калибровки гироскопических чувствительных элементов,

- выявления информационных нарушений чувствительных элементов, -построения фильтра обработки информации ИНС в условиях неопределенности модели сигналов.

Методы исследования Решение поставленных задач осуществлялось с использованием стохастических методов оптимальной линейной фильтрации при описании сигналов в пространстве состояний, методов многоальтернативной фильтрации с применением стохастических решений в задаче контроля и диагностики. При анализе использовались методы математического моделирования.

Научная новизна

1. Выявлено существенное влияние на ошибки ИНС информационных нарушений датчиков первичной информации и неопределенности модели сигналов при использовании для ее коррекции и демпфирования фильтра Калмана.

2. Сформулированы правила настройки фильтра Калмана при интервальной неопределенности параметров модели вектора состояния, гарантирующие для погрешностей полученных оценок непревышение некоторого минимально возможного уровня.

3. Определена высокая эффективность метода многоальтернативной фильтрации в выявлении нарушений в первичных датчиках информации, возникающих в случайные моменты времени. Метод обеспечивает минимизацию времени обнаружения нарушений и оценку их величины, используемую далее для компенсации нарушения.

4. Предложен метод кусочно-постоянной аппроксимации румбовой погрешности гироскопических чувствительных элементов ИНС для использования в задаче фильтрации при проведении калибровки. Показаны преимущества предложенного метода, состоящие в увеличении точности оценивания при сокращении вычислительных затрат по сравнению с аппроксимацией в виде гармонического ряда.

Практическая значимость работы

1. Предложенные алгоритмы позволяют повысить точность калибровки погрешностей ИНС платформенного типа. Алгоритмы калибровки румбовых погрешностей гироскопических чувствительных элементов внедрены в состав математического обеспечения некоторых комплектаций полуаналитической ИНС "Ладога-М.

2. Рассмотрена процедура настройки фильтра Калмана в задачах коррекции и демпфирования ИНС при неопределенности модели вектора состояния, позволяющая гарантировать получение оценок навигационных параметров с погрешностью, не превышающей некоторый заранее определяемый уровень. Предложенная процедура так же внедрена в состав математического обеспечения некоторых комплектаций ИНС полу аналитического типа "Ладога-М".

3. Предложены эффективные методы контроля и диагностики информационных нарушений чувствительных элементов, позволяющие производить восстановление ИНС после обнаружения нарушения. Задачу контроля и диагностики информационных нарушений чувствительных элементов ИНС "Ладога-М" планируется внедрить в состав программного обеспечения навигационного комплекса "Аппассионата".

Достоверность полученных результатов

Эффективность предложенных в диссертации методов подтверждена математическим моделированием, а так же путем обработки натурных реализаций выходных данных ИНС и результатами стендовых испытаний.

Апробация работы

Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации были доложены на I, И, IV, V, VI конференциях молодых ученых "Навигация и управления движением" (Санкт

Петербург, 1999,2000,2002,2003,2004), на XIII международном научно-техническом семинаре "Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации" (Алушта, 2004), на XXII научно-технической конференции памяти Н.Н.Острякова (Санкт-Петербург,2002).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 статей и докладов.

Положения выносимые на защиту

1. Правила гарантирующей настройки фильтра Калмана при интервальной неопределенности параметров модели вектора состояния, включающего погрешности ИНС и внешних измерителей.

2. Метод контроля и диагностики информационных нарушений ИНС в составе малоизбыточного навигационного комплекса.

3. Способы восстановления ИНС после обнаружения информационного нарушения.

4. Методы аппроксимации и оценки румбовой погрешности ИНС.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 82 наименований. Объем диссертации -161 страница, количество рисунков-45, количество таблиц- 5.

Заключение диссертации по теме «Приборы навигации», Литвиненко, Юлия Александровна

Выводы

1. В качестве информационных нарушений, как наиболее существенных и возможных для рассматриваемой ИНС, учитываются увеличение погрешностей чувствительных элементов — гироскопов и акселерометров

2. Контроль информационных отказов предлагается осуществлять по данным о разности навигационных параметров вырабатываемых двумя однотипными ИНС, демпфируемых по данным относительного лага.

3. Применение банка ФК, ориентированного на 10 гипотез, позволяет эффективно выявлять информационные нарушения чувствительных элементов, а также оценивать уровень этих нарушений.

4. Полученная оценка уровня информационного нарушения может быть использована для проведения восстановления ИНС после появления информационного нарушения

Заключение

В диссертационной работе получены следующие основные результаты:

1. Рассмотрено применение фильтра Калмана для калибровки, демпфирования и коррекции системы, приведена модель погрешностей корректируемой ИНС, включающая модели погрешностей применяемых чувствительных элементов, и внешних источников информации. Проведен анализ наблюдаемости вектора состояния ФК для ИНС полуаналитического типа построенной на поплавковых гироскопах, в зависимости от вариантов коррекции ИНС.

2. Выявлено существенное влияние на ошибки оценивания погрешностей ИНС неопределенности модели сигналов и информационных нарушений датчиков первичной информации.

3. Сформулированы правила настройки фильтра Калмана при интервальной неопределенности параметров модели вектора состояния, гарантирующие для полученных погрешностей оценок непревышение некоторого минимально возможного уровня.

4. Проведен анализ причин возникновения румбовых погрешностей ИНС полуаналитического типа. Рассмотрены различные подходы к оценке румбовой погрешности; выявлен наиболее предпочтительный метод на основе принудительного вращения платформы с установленными на ней чувствительными элементами, позволяющий значительно сократить время калибровки по сравнению с методом последовательных поворотов.

5. Показано что для аппроксимации румбовой погрешности может быть использована как гармоническая, так и кусочно-постоянная функция угла разворота платформы. Показано, что метод оценки румбовой погрешности на основе фильтра Калмана при ее аппроксимации кусочно-постоянной функцией позволяет эффективно оценивать румбовую погрешность без значительного увеличения размерности вектора состояния.

6. Предложенные алгоритмы калибровки румбовых погрешностей гироскопических чувствительных элементов, внедренные в состав математического обеспечения некоторых комплектаций полуаналитической ИНС «Ладога-М», позволяют повысить точность выработки навигационных параметров.

7. Рассмотрена задача диагностики информационных отказов ИНС при ее работе в малоизбыточном навигационном комплексе (включающем пару ИНС). При этом в качестве информационных нарушений, как наиболее существенных для рассматриваемой ИНС, учитываются увеличенные погрешности чувствительных элементов — гироскопов и акселерометров.

8. Контроль информационных отказов предложено осуществлять по данным о разности навигационных параметров, вырабатываемых двумя однотипными ИНС, на основе метода многоальтернативной фильтрации.

9. Показано, что применение банка ФК, ориентированного на 10 гипотез-нарушений, позволяет эффективно выявлять информационные нарушения чувствительных элементов, а также оценивать уровень этих нарушений для восстановления ИНС после появления информационного нарушения

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Литвиненко, Юлия Александровна, 2005 год

1.А, Кошкарев В.Н., Осюхин Б.А, Хребтов АА. Абсолютные и относительные лаги /Справочник.-J1. Судостроение, 1990г.

2. Андреев Ю.Н. Управление конечномерными линейными объектами.-М.:Наука,1976.

3. Андриевский Б.Р., Фрадков А.Л. Избранные главы теории автоматического управления с примерами на языке MATLAB.-Санкт-Петербург: Наука, 1999г., 467с.

4. Андриевский Б.Р., Фрадков А.Л. Элементы математического моделирования в программных средах MatlabS и Scilab.- Санкт-Петербург: Наука, 2001 г, 288с.

5. Анучин О.Н., Емельянцев Г.И. Интегрированные системы ориентации и навигации для морских подвижных объектов.- СПб.: изд. ЦНИИ «Электроприбор», 2003г.-389 с.

6. Вельский Л.Н., Водичева Л.В. Ускоренная прецизионная начальная выставка и калибровка ИНС летательного аппарата на подвижном основании // Гироскопия и навигация- 2001 г- №4.

7. Бесекерский В.А., Небылов А.В. Робастные системы автоматического управления. -М.: Наука, 1975г.

8. Биндер И .Я., Емельянцев Г.И. Метод оценки румбовых дрейфов бесплатформенного инерциального измерительного модуля в условиях маневрирования объекта.// Гироскопия и навигация-2004г- №2.

9. Бромберг П.В. Теория инерциальных систем навигации.-М.:Наука,1997г.

10. Броксмейер Ч.В. Системы инерциальной навигации.- Ленинград.: Судостроение ,1967г.

11. Беллман Р. Введение в теорию матриц. М.: Наука, 1969г. - 368 с.

12. Вайсгант И.Б. Калибровка корабельной инерциальной системы полуаналитического типа. //Судостроительная промышленность. Сер. Навигация и гироскопия.- Вып.З.- с27-37 1988г

13. Вайсгант И.Б. Структурная схема ошибок ИНС полуаналитического типа. //Судостроительная промышленность. Сер. Навигация и гироскопия Вып. 19 1988г. 10-18с.

14. Вайсгант И.Б., Литвиненко Ю.А. Погрешности выработки навигационных параметров платформенными инерциальными системами среднего класса точности в зависимости от широты места. //Санкт-Петербург, Известия вузов. Приборостроение № 9, 2002г.

15. Вайсгант И.Б., Окон И.М, Тупысев В.А. Инерциальная угломерная система для скоростного железнодорожного вагона путеизмерителя. //Сборник докладов I СПб международной конференции по гироскопической технике. 1993г.

16. Вайсгант И.Б. Выбор скорости принудительного вращения платформы инерциальной навигационной системы// Гироскопия и навигация 1999г - №4 (27) cl 16-120.

17. Вайсгант И.Б., Окон И.М., Тупысев В.А. Опыт использования гироазимутгоризонта для контроля рельсовой колеи на ж/д полигоне.// Гироскопия и навигация №4(19) 1997г.

18. Валько А.В., Ионов К.В., Ионова Ю.Н. Движение трехстепеного поплавкового гироскопа в переходном тепловом режиме и его влияние на готовность по дрейфу.// Гироскопия и навигация-1994г-№1.

19. Валько А.В., Ионов К.В., Ионова Ю.Н. Прогнозирование готовности по дрейфу трехстепенного поплавкового гироскопа с учетом его конструктивно-технологических параметров.// Гироскопия и навигация-1994г- №3.

20. Гантмахер Ф.Р. Теория матриц.-Москва, Наука, Главная редакция физико-математической литературы. 1988г.

21. Джашитов В.Э., Панкратов В.М. Математические модели теплового дрейфа гироскопических датчиков инерциальных систем.- Санкт- Петербург, 2001г.

22. Джашитов В.Э., Панкратов В.М. Условия возможного возникновения детерминированного хаоса в температурно-возмущаемом поплавковом подвесе.// Гироскопия и навигация-1998г- №4.

23. Дмитриев С.П., Колесов Н.В., Осипов А.В. Надежность навигационной системы с учетом информационных отказов. //Материалы X Санкт-петербургской международной конференции по интегрированным навигационным системам. 2003г

24. Дмитриев С.П., Пелевин А.Е. Задачи навигации и управления при стабилизации судна на траектории.- СПб.:ГНЦ РФ ЦНИИ Электроприбор, 2002г.

25. Дмитриев С.П. Высокоточная морская навигация. СПб.: Судостроение, 1991г.

26. Дмитриев С.П. Инерциальные методы в инженерной геодезии. -СПб.: 1997г

27. Дмитриев С.П., Колесов Н.В., Осипов А.В. Информационная надежность, контроль и диагностика навигационных систем. -Санкт-Петербург, 2003.

28. Дмитриев С.П., Кошаев Д.А. Информационный контроль и диагностика дублированных инерциальных систем. //Материалы XI Санкт-петербургской международной конференции поинтегрированным навигационным системам. 2004г

29. Дмитриев С.П., Осипов А.В. Оценка надежности информационно-измерительных систем с учетом информационных отказов. //Гироскопия и навигация- 2002г- №4.

30. Дмитриев С.П., Степанов О.А. Неивариантные алгоритмы обработки информации инерциальных навигационных систем. // Гироскопия и навигация- 2000г- №1

31. Емельянцев Г.Е,. Анучин О.А. Об эффективности использования данных относительного лага в корабельных интегрированных системах ориентации и навигации на основе бескарданных инерциальных модулей. // Гироскопия и навигация- 2001 г- №3.

32. Ивановский Р.И., Игнатов А.А., Теория чувствительности в задачах управления и оценки. -Л.:,ЦНИИ "Румб", 1986г.

33. Ивановский Р.И., Эпштейн М.К. Оценка параметров движения маневрирующих объектов. -Л.,ЦНИИ "Румб", 1982г.

34. Измеритель ускорений трехканальный, инструкция по регулированию и контролю. ЦНИИ Электроприбор, 1998г.

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

36. Интегрированные инерциально-спутниковые системы навигации. Сб. ст.и докл., Под ред. акад. В.Г.Пешехонова, СПб., ЦНИИ1. Электроприбор», 2001г.

37. Итоговый отчет на разработку конструкторской документации ДПГ. Демидов А.Н., Малтинский М.И.- ЦНИИ «Электроприбор» 2003г.

38. Каракашев В.А. Автономные инерциальные навигационные • системы. Учебное пособие. — Ленинград: ЛИТМО, 1983г.

39. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников.- М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1973.

40. Конев М.Ф., Короленко А.В., Литвиненко Ю.А.,. Мохов В.П. Использование углов качки для оценки угловой скорости надводного корабля.// Сборник трудов 1 конференции молодых ученых «Навигация и управление движением».2000г.

41. Костров А.В. Наблюдаемость и управляемость гироскопических устройств. -Л.: ЦНИИ «Румб», 1980г.

42. Кошляков В.Н. Задачи динамики твердого тела и прикладной теории гироскопов.-М.:Наука,1985г.

43. Куркин О.М., Коробочкин Ю.Б., Шаталов С.А. Минимаксная обработка информации -МлЭнергоатомиздат, 1990г.

44. Кулакова В.И., Исследование эффективности использования алгоритмов робастной фильтрации, ЦНИИ «Электроприбор», 2004г.

45. Литвиненко Ю.А. Использование фильтра Калмана для оценки румбовых погрешностей ИНС полуаналитического типа.// Сборник докладов 4 конференции молодых ученых «Навигация и управление движением», 2004г.

46. Литвиненко Ю.А. Оценка румбовых погрешностей инерциальной системы платформенного типа с применением фильтра Калмана.//

47. Авиакосмическое приборостроение №6,2004г.

48. Лукомский Ю.А., Пешехонов В.Г., Скороходов Д.А. Навигация и управление движением судов.- Санкт-Петербург, 2002г.

49. Лукьянов Д.П. Акселерометры инерциальных систем навигации. Конспект лекций. -Ленинград, 1983г.

50. Миллер Г.Б., Паньков А.Р. Фильтрация случайного процесса в статистически неопределенной линейной стохастической дифференциальной системе// Автоматика и телемеханика, №1-2005г.

51. Небылов А.В., Гарантированные точности управления М.:Наука, Физматлит,1998.

52. Одинцов А.А., Васильева В.Б. Уравнения ошибок морских платформенных инерциальных систем на управляемых гироскопах.// Гироскопия и навигация, 2001- №4

53. Одинцов А.А., Васильева В.Б., Наумов Ю.Е. Погрешности морских инерциальных навигационных систем на управляемых магнитных сферических гироскопах. // Гироскопия и навигация-2002- №3

54. Одинцов А.А. Теория и расчет гироскопических приборов-К.:Вища школа, 1995.

55. Результаты предварительных испытаний опытного образца изделия «Алеут-Э.1». -Протокол №20 дополнительных испытаний, 2004г.

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

57. Ривкин С.С. Метод оптимальной фильтрации Калмана и его применение в инерциальных навигационных системах.1. Л. :Судостроение, 1974г.

58. Ривкин С.С. Теория гироскопических устройств Части 1-2.- М.: Судостроение, 1964г.

59. Ривкин С.С., Берман З.М., Окон И.М. Определение параметров ориентации объекта бесплатформенной инерциальной системы-Санкт-Пегербург, 1996г.

60. Ривкин С.С., Ивановский Р.И., Костров А.В. Статистическая оптимизация навигационных систем Л.: Судостроение 1989.-184с.

61. Ригли У., Холистер У., Денхард У. Теория, проектирование и испытания гироскопов /Пер.с англ.- М.: Мир, 1972г.

62. Ройтенберг Я.Н. Автоматическое управление. -М. :Наука, 1971г.

63. Справочник по тории автоматического управления под. Ред А.А.Красвского,М, Наука, 1987г.

64. Степанов О.А. Применение теории нелинейной фильтрации в задачах обработки навигационной информации.- СПб.: ЦНИИ «Электроприбор», 1998г.

65. Тарановский Д.О., Лесючевский В.М. Алгоритмы ускоренной коррекции построителя вертикали инерциальной навигационной системы // Материалы докл. III конф. молодых ученых "Навигация и управление движением ".- СПб.: ЦНИИ "Электроприбор", 2001. -С 13-18.

66. Технический отчет, «Автоматизированное определение икомпенсация румбовых погрешностей гироприбора ИНС "Ладога -М" , Вайсгант И.Б., Литвиненко Ю.А., ЦНИИ «Электроприбор» 1999г.

67. Тупысев В.А. Использование винеровских моделей для описания уходов гироскопов и ошибок измерителя в задаче оценивания состояния ИНС. //Гироскопия и навигация- 2002г-№3.

68. Челпанов И.Б., Несенюк Л.П., Брагинский М.В. Расчет характеристик навигационных гироприборов.- Л.: Судостроение, 1978.

69. Челпанов И.Б., Несенюк Л.П., Структурные и частотные методы синтеза оптимальных преобразований в навигационных системах. «Азимут», 1990г.76 .Сейдж Э.п,.Уайт, Ч.С III. Оптимальное управление системами.-М.:Радио и связь, 1982г.

70. Avionics Navigation Systems, second edition// M.Kayton, W.Fried, 1996.

71. Biezad J.Daniel ,Integrated Navigation and Guidance Systems/ -American Institute of Aeronautics and Astronautics, Inc. 1801 Alexander Bell, Reston, VA 20191, 1999,235c.

72. Hutchinson C., Appolito Y.D. Minimax design of Kalman-like filters in presence of large parameter uncertainties//AIAA, 1972,№ 878.

73. R.Dorobantu, C.Getlach Characterisation and Evalution of a Navigation-Grade RLG SIMU// European Journal of Navigation , 2004. -V2. No 1 2004.

74. Leondes C., Pearson J. A minimax filter for systems with large plant uncertainties.-IEEE Trams. AC, 1972.Vol. 17,No 2.-P.215-220.

75. Leondes C., Pearson J. Suboptimal estimation of system with large parameter uncertainties.// Automatica, 1974.- Vol.1 .lO.-No 4.