Устройство совместной обработки результатов измерения курса мобильного средства гнсс-компасом и гирогоризонткомпасом

Устройство совместной обработки результатов измерения курса мобильного средства гнсс-компасом и гирогоризонткомпасом

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Заявленное устройство относится к устройствам навигации, в частности к устройствам совместной обработки результатов измерения курса ГНСС-компасом и гирогоризонткомпасом. Здесь и далее ГНСС-компасом будем называть радионавигационную аппаратуру для определения фазо-метрическим методом пространственной ориентации подвижного объекта по сигналам ГНСС с использованием трех и более приемных антенн (например, аппаратура МРК-32, разработка Красноярского политехнического университета, Satellite Compass Model SC, разработка фирмы FURUNO, и ряд других).

Заявленное устройство может быть использовано в навигационных комплексах мобильных средств (МС).

Основным требованием, предъявляемым к устройствам совместной обработки, является уменьшение погрешности навигационных измерений.

Известно устройство [1-11], выполняющее в дискретном времени t_m (m=1, 2, 3, …, М-1, М) совместную обработку текущих значений координат объекта, измеренных автономным и неавтономным навигационными каналами. Схема функциональная такого устройства приведена на фиг.1. Приведенную схему в известной литературе называют схемой компенсации ошибок.

Известное устройство содержит:

- вычитающие устройства 1 и 3 (всего 2 шт.);

- дискретный рекурсивный оптимальный фильтр Калмана 2.

На входы вычитающего устройства 1 поступают значения координат подвижного объекта A_a[m] и А_н[m], измеренные автономным и неавтономным навигационными каналами, соответственно. Кроме того, значения координат подвижного объекта A_a[m], измеренные автономным навигационным каналом, поступают на вход вычитающего устройства 3.

Выход вычитающего устройства 1 подключен к входу дискретного рекурсивного оптимального фильтра Калмана 2. Выход дискретного рекурсивного оптимального фильтра Калмана 2 подключен к входу вычитающего устройства 3. Выход вычитающего устройства 3 подключен к аппаратуре потребителя навигационной информации.

Вычитающее устройство 1 решает задачу расчета текущего значения псевдонаблюдения погрешности автономного навигационного канала P[m] по формуле

P [ m ] = A a [ m ] − A н [ m ] .       ( 1 )

Фильтр Калмана 2 решает задачу определения оптимальной оценки погрешности определения текущих координат подвижного объекта Δ A ∧ a [ m ] автономным навигационным каналом с использованием следующего алгоритма:

Δ A ∧ a [ m ] = Ф [ m / m − 1 ] × Δ A ∧ a [ m − 1 ] − δ [ m ] ,       ( 2 )

где Ф [ m / m − 1 ] - переходная матрица состояния погрешностей автономного канала;

δ[m] - поправка, вычисляемая по формуле

δ [ m ] = K [ m ] × ( Ф [ m / m − 1 ] × Δ A ∧ a [ m − 1 ] − P [ m ] ) ;       ( 3 )

K[m] - матрица коэффициентов передачи фильтра.

В приведенном алгоритме реализована концепция «экстраполяция - коррекция». Согласно этой концепции оценку погрешностей канала автономных средств навигации Δ A ∧ a [ m − 1 ] , полученную на предшествующем такте счета, экстраполируют на последующий такт счета путем ее умножения на переходную матрицу состояния погрешностей автономного канала Ф[m/m-1] и уточняют путем вычитания из нее поправки δ[m].

Коэффициент передачи фильтра Калмана K[m] определяют с использованием следующих формул

K [ m ] = V [ m ] ( V [ m ] + cov { n н [ m ] } ) − 1 ,       ( 4 )

V [ m / m − 1 ] = Ф [ m / m − 1 ] × V [ m − 1 ] Ф Т [ m / m − 1 ] + cov { n a [ m ] } ,       ( 5 )

V [ m ] = ( I − K [ m ] ) × V [ m / m − 1 ] ;       ( 6 )

где V[m/m-1] - вариация погрешностей экстраполяции;

V[m] - вариация погрешностей оценки состояния составляющих вектора ΔX_a[m-1];

cov{n_н[m]} - ковариация δ-коррелированных гауссовых шумов измерения неавтономного канала;

cov{n_a[m]} - ковариация δ-коррелированных гауссовых шумов измерения автономного канала;

I - единичная матрица;

^T - знак транспонирования матрицы.

На входы вычитающего устройства 3 поступают от фильтра Калмана 2 совместная оптимальная оценка погрешности автономного навигационного канала Δ A ∧ a [ m ] и значение координаты подвижного объекта Δ A ∧ a [ m ] , измеренное автономным каналом. Вычитающее устройство 3 решает задачу расчета совместной оптимальной оценки координаты подвижного объекта по формуле

A ∧ [ m ] = A a [ m ] − Δ A ∧ a [ m ] .       ( 7 )

Совместная оптимальная оценка погрешности автономного навигационного канала поступает от вычитающего устройства 3 к потребителю навигационной информации.

В общем случае известное устройство проводит совместную обработку всех составляющих вектора состояния текущих координат подвижного объекта, и для его математического описания используют векторно-матричный аппарат теории пространства состояний. Ниже будет рассмотрен частный случай обработки информации о текущем состоянии только одной составляющей из состава вектора состояния текущих координат подвижного объекта. В этом случае все векторно-матричные величины, входящие в выражения (1-6), являются скалярными. Устройство совместной обработки информации о текущем состоянии только одной составляющей вектора состояния текущих координат подвижного объекта будем считать прототипом заявленного устройства.

К существенным признакам прототипа, совпадающим с существенными признаками заявляемого технического решения, относятся:

- назначение (оптимальная совместная обработка информации от разнородных навигационных датчиков);

- реализация канонической схемы компенсации ошибок автономного канала;

- реализация концепции «экстраполяция - коррекция» ошибок автономного канала (в рассматриваемом случае ошибок гирогоризонткомпаса);

- реализация рекурсивного метода обработки информации;

- функционирование в реальном масштабе времени.

К недостаткам прототипа, применительно к случаю оптимальной совместной обработки информации о курсе мобильного средства с использованием ГНСС-компаса и гирогоризонткомпаса, относятся отсутствие возможности анализа реальных ошибок навигационных измерений в динамике движения и, как следствие, отсутствие возможности принятия мер, исключающих:

- возрастание погрешности оптимальной совместной обработки информации при наличии выбросов результатов измерения курса ГНСС-компасом;

- наличие погрешности оптимальной совместной обработки информации вследствие неадекватности математических форм представления переходного коэффициента погрешности гирогоризонткомпаса и шумов измерения гирогоризонткомпаса неавтономного каналов, используемых в фильтре Калмана, реальным физическим процессам.

Математические формы адекватного представления изменений погрешностей измерения навигационных параметров МС в динамике его движения неизвестны, а их разработка связана с непреодолимыми трудностями, так как МС в общем случае выполняет непредсказуемые маневры по скорости и азимутальному углу.

Задачей технического решения является уменьшение погрешности оптимальной совместной обработки информации о курсе мобильного средства. Схема функциональная заявленного устройства совместной обработки приведена на фиг.2.

Поставленная задача решается благодаря тому, что в заявленном устройстве совместной обработки результатов измерения курса мобильного средства ГНСС-компасом и гирогоризонткомпасом, содержащем вычитающие устройства 1 и 5 (всего 2 шт.), пороговое устройство 2, дискретный многоканальный фильтр 3 и устройство сравнения 4, предусмотрены следующие отличия от известного прототипа:

- включены в его состав пороговое устройство, дискретный многоканальный фильтр и устройство сравнения;

- исключен дискретный оптимальный фильтр Калмана, вместо которого включены в состав изделия многоканальный дискретный фильтр и устройство сравнения.

Между совокупностью существенных признаков заявленного объекта и достигаемым техническим результатом существует причинно-следственная связь, а именно:

- включение в состав заявленного объекта порогового устройства 2 уменьшает погрешность оптимальной обработки информации при появлении выбросов в результатах измерения курса ГНСС - компасом;

- включение в состав устройства дискретного многоканального фильтра и устройства сравнения уменьшает погрешность оптимальной обработки информации, обусловленную неадекватностью математических форм представления переходного коэффициента погрешности автономного канала и шумов измерения реальным физическим процессам.

Согласно схеме функциональной, приведенной на фиг.2, на входы вычитающего устройства 1 поступают значения курса МС A_a[m] и A_н[m], измеренные гирогоризонткомпасом и ГНСС-компасом, соответственно. Кроме того, значение координаты подвижного объекта A_a[m], измеренное автономным навигационным каналом поступает на вход вычитающего устройства 5. Выход вычитающего устройства 1 подключен к входу порогового устройства 2. Выход порогового устройства 2 подключен к входу дискретного многоканального фильтра 3. Выход дискретного многоканального фильтра 3 подключен к входу устройства сравнения 4. Выход устройства сравнения 4 подключен к входу вычитающего устройства 5. Выход вычитающего устройства 5 подключен к входу аппаратуры потребителя навигационной информации.

Вычитающее устройство 1 решает задачу расчета текущего значения псевдонаблюдения погрешности автономного навигационного канала P[m] по формуле

P [ m ] = A a [ m ] − A н [ m ] .       ( 8 )

Пороговое устройство 2 сравнивает абсолютное значение псевдонаблюдения Р[m] с заданным порогом Z. Если порог не превышен, то псевдонаблюдение без изменения поступает на вход многоканального дискретного фильтра 3, иначе пороговое устройство подает на вход многоканального дискретного фильтра 3 псевдонаблюдение P[m-1], задержанное относительно P[m] на такт счета.

Дискретный многоканальный фильтр 3 решает следующие задачи:

- рассчитывает элементы a ^ i , j [ m ] прямоугольной матрицы M { a ^ i , j [ m ] } размерности I×J вида

M { a ∧ i , j [ m ] } = ‖ a ∧ 1,1 [ m ] a ∧ 1,2 [ m ] … a ∧ 1, j − 1 [ m ] a ∧ 1, j [ m ] a ∧ 1, j + 1 [ m ] … a ∧ 1, J − 1 [ m ] a ∧ 1, J [ m ] a ∧ 2,1 [ m ] a ∧ 2,2 [ m ] … a ∧ 2, j − 1 [ m ] a ∧ 2, j [ m ] a ∧ 1, j + 1 [ m ] … a ∧ 2, J − 1 [ m ] a ∧ 2, J [ m ] … … … … … … … … … a ∧ i − 1,1 [ m ] a ∧ i − 1,2 [ m ] … a ∧ i − 1, j − 1 [ m ] a ∧ i − 1, j [ m ] a ∧ i − 1, j + 1 [ m ] … a ∧ i − 1, J − 1 [ m ] a ∧ i − 1, J [ m ] a ∧ i ,1 [ m ] a ∧ i ,2 [ m ] … a ∧ i , j − 1 [ m ] a ∧ i , j [ m ] a ∧ i , j + 1 [ m ] … a ∧ i , J − 1 [ m ] a ∧ i , J [ m ] a ∧ i + 1,1 [ m ] a ∧ i + 1,2 [ m ] … a ∧ i + 1, j − 1 [ m ] a ∧ i − 1, j [ m ] a ∧ i + 1, j + 1 [ m ] … a ∧ i + 1, J − 1 [ m ] a ∧ i + 1, J [ m ] … … … … … … … … … a ∧ I − 1,1 [ m ] a ∧ I − 1,2 [ m ] … a ∧ I − 1, j − 1 [ m ] a ∧ I − 1, j [ m ] a ∧ I − 1, j + 1 [ m ] … a ∧ I − 1, J − 1 [ m ] a ∧ I − 1, J [ m ] a ∧ I ,1 [ m ] a ∧ I ,2 [ m ] … a ∧ I , j − 1 [ m ] a ∧ I , j [ m ] a ∧ I , j + 1 [ m ] … a ∧ I − 1, J − 1 [ m ] a ∧ I , J [ m ] ‖

по формуле

a ∧ i , j [ m ] = i I ⋅ a ∧ i , j [ m − 1 ] − j J ⋅ ( i I ⋅ a ∧ i , j [ m − 1 ] − P [ m − 1 ] ) ,       ( 9 )

где

i = 1,   2,   … ,   I − 1,   I ,       ( 10 )

j = 1,   2,   … ,   J − 1,   J       ( 11 )

- рассчитывает элементы d ∧ i , j [ m ] прямоугольной матрицы D { a ∧ i , j [ m ] } размерности I×J вида

D { d ∧ i , j [ m ] } = ‖ d ∧ 1,1 [ m ] d ∧ 1,2 [ m ] … d ∧ 1, j − 1 [ m ] d ∧ 1, j [ m ] d ∧ 1, j + 1 [ m ] … d ∧ 1, J − 1 [ m ] d ∧ ' 1, J [ m ] d ∧ 2,1 [ m ] d ∧ 2,2 [ m ] … d ∧ 2, j − 1 [ m ] d ∧ 2, j [ m ] d ∧ 2, j + 1 [ m ] … d ∧ 2, J − 1 [ m ] d ∧ ' 2, J [ m ] … … … … … … … … … d ∧ i − 1,1 [ m ] d ∧ i − 1,2 [ m ] … d ∧ i − 1, j − 1 [ m ] d ∧ i − 1, j [ m ] d ∧ i − 1, j + 1 [ m ] … d ∧ i − 1, J − 1 [ m ] d ∧ i − 1, J [ m ] d ∧ i ,1 [ m ] d ∧ i ,2 [ m ] … d ∧ i , j − 1 [ m ] d ∧ i , j [ m ] d ∧ i , j + 1 [ m ] … d ∧ i , J − 1 [ m ] d ∧ i , J [ m ] d ∧ i + 1,1 [ m ] d ∧ i + 1,2 [ m ] … d ∧ i + 1, j − 1 [ m ] d ∧ i − 1, j [ m ] d ∧ i + 1, j + 1 [ m ] … d ∧ i + 1, J − 1 [ m ] d ∧ i + 1, J [ m ] … … … … … … … … … d ∧ I − 1,1 [ m ] d ∧ I − 1,2 [ m ] … d ∧ I − 1, j − 1 [ m ] d ∧ I − 1, j [ m ] d ∧ I − 1, j + 1 [ m ] … d ∧ I − 1, J − 1 [ m ] d ∧ I − 1, J [ m ] d ∧ I ,1 [ m ] d ∧ I ,2 [ m ] … d ∧ I , j − 1 [ m ] d ∧ I , j [ m ] d ∧ I , j + 1 [ m ] … d ∧ I − 1, J − 1 [ m ] d ∧ I , J [ m ] ‖

по формуле

d ∧ i , j [ m ] = α ⋅ d ∧ i , j [ m − 1 ] + ( 1 − α ) × ( a ∧ i , j [ m − 1 ] − P [ m − 1 ] ) 2 ,       ( 12 )

где α - коэффициент «экспоненциального затухания»;

- выдает результаты расчета элементов матриц M { a ∧ i , j [ m ] }     и D { d ∧ i , j [ m ] } на вход устройства сравнения 4.

Устройство сравнения 4 решает следующие задачи:

- определяет номер строки i* и столбца j*, на пересечении которых находится минимальный элемент матрицы D { d ∧ i , j [ m ] } ,

[ i * , j * ] = arg [ min D { d ∧ i , j [ m ] } ] ;       ( 13 )

где arg - функция, возвращающая номера строки и столбца элемента матрицы;

- выбирает значение элемента матрицы M { a ∧ i , j [ m ] } , расположенного на пересечении строки с номером i* и столбца с номером j*, и выдает выбранное значение a ∧ i ∗ , j ∗ [ m ] на вход вычитающего устройства 5.

Иными словами, дискретный многоканальный фильтр определяет зависимость текущего значения оценки погрешности гирогоризонткомпаса a ∧ i , j [ m ] и зависимость среднеквадратического значения разности между экстраполированным значением погрешности гирогоризонткомпаса и ее псевдонаблюдением d ∧ i , j [ m ] от величины переходного коэффициента фильтра f(i)=i/I и коэффициента передачи фильтра k(j)=j/J. Устройство сравнения отыскивает минимум среднеквадратического значения разности между экстраполированным значением погрешности гирогоризонткомпаса и ее псевдонаблюдением, определяет значения i* и j*, соответствующие найденному минимуму, и находит оценку погрешности автономного канала a ∧ i ∗ , j ∗ [ m ] , соответствующую полученным значениям переходного коэффициента и коэффициента передачи.

Вычитающее устройство 5 решает задачу расчета совместной оптимальной оценки курса МС по формуле

A ∧ [ m ] = A a [ m ] − a ∧ i ∗ , j ∗ [ m ] .       ( 14 )

Совместная оптимальная оценка курса МС поступает от вычитающего устройства 5 к потребителю навигационной информации.

Устройство изготавливают в виде программно-аппаратного модуля с использованием перспективных программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) фирмы Xilinx на основе программных пакетов MATLAB-Simulink R2008b с использованием библиотечных элементов Xilinx, экспортируемых из программного пакета Xilinx ISE 11.

Литература

1. Степанов О.А. Состояние, перспективы развития и применения наземных систем навигации для подвижных объектов. // Гироскопия и навигация. 2005. №2 (49). - С.95-121.

2. Харисов В.Н., Горев А.П. Синтез тесносвязанного алгоритма инерциально-спутниковой навигации. // Радиотехника. 2000. - №7. - С.80-86.

3. Харисов В.Н., Аникин А.Л., Оганесян А.А. Статистический анализ характристик помехоустойчивости алгоритма глубокой интеграции приемника спутниковой навигации и инерциальных датчиков. // Радиотехника. Радиосистемы. 2005. - №7. - С.21-26.

4. Синтез и анализ комплексированных ГЛОНАСС/ИНС приемников: Дис. маг. техники и технологий: 05.12.04. / Шатилов А.Ю. МЭИ, 2004. - 132 с.

5. Перов А.И., Шатилов А.Ю. Сравнительный анализ характеристик двух алгоритмов комплексной вторичной обработки информации в инерциально-спутниковых навигационных системах. II Радиотехника. Радиосистемы. 2003. - №7. - С.88-98.

6. Kreye C., Eissfeller B., Winkel J.O. Improvements of GNSS Receiver Performance Using Deeply Coupled INS Measurements. // ION GPS 2000. Salt Lake City, UT: 2000. - September 19-22. - Pp.844-854.

7. Перов А.И., Шатилов А.Ю. Синтез и анализ вторичных алгоритмов обработки информации в комплексных ГЛОНАСС/ИНС системах. // Сборник тезисов докладов 8-й Международной конференции «Радиотехника, электротехника и энергетика». - T.1. М.: МЭИ, 2002 - с.114.

8. Ривкин С.С. Метод оптимальной фильтрации Калмана и его применение в инерциальных навигационных системах. Л.: Судостроение, 1974. - 219 с.

9. Шебшаевич B.C., Дмитриев П.П. и др. Сетевые спутниковые радионавигационные системы. - М.: "Радио и связь", 1993. - 408 с.

10. Ярлыков М.С. Статистическая теория радионавигации [Текст] / Ярлыков М.С.: Радио и связь, 1985. - 344 с.

11. Ю.П.Гришин, В.П.Ипатов, Ю.М.Казаринов и др. Радиотехнические системы. Учеб. для вузов по спец. "Радиотехника" [Текст] / Ю.М.Казаринов. М.: Высшая школа, 1990. - 496 с.

1. Устройство совместной обработки результатов измерения курса мобильного средства ГНСС-компасом и гирогоризонткомпасом, включающее первое и второе вычитающие устройства, пороговое устройство, дискретный многоканальный фильтр и устройство сравнения и отличающееся тем, что значения курса мобильного средства (МС), измеренные гирогоризонткомпасом и ГНСС-компасом, соответственно, подаются на входы первого вычитающего устройства, и значение курса, измеренное гирогоризонткомпасом, подается на один из входов второго вычитающего устройства, выход первого вычитающего устройства подключен к входу порогового устройства, выход порогового устройства подключен к входу дискретного многоканального фильтра, выход дискретного многоканального фильтра подключен к входу устройства сравнения, выход устройства сравнения подключен к входу второго вычитающего устройства, выход второго вычитающего устройства подключен к входу аппаратуры потребителя навигационной информации.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что, с целью уменьшения погрешности оптимальной совместной обработки информации при появлении выбросов в результатах измерения курса ГНСС-компасом, в состав устройства включены первое вычитающее устройство