Цели и задачи комплексирования навигационных измерителей.

Одним из эффективных путей совершенствования навигационного оборудования ЛА является создание комплексных систем навигации (КСН), в которых обрабатывается информация от нескольких измерителей, определяющих одни и те же, либо функционально связанные навигационные параметры. Например, доплеровский измеритель скорости (ДИС) и ИНС одновременно измеряют составляющие вектора полной путевой скорости ЛА; радиосистема ближней навигации (РСБН) или радиосистема дальней навигации (РСДН) и системы счисления пути определяют координаты местоположения объекта.

Потребность в одновременном измерении одних и тех же параметров с помощью устройств и систем, работающих на различных физических принципах, обусловлена тем, что каждый измеритель в отдельности не обеспечивает всего комплекса требований, которые предъявляются к измерению этих параметров для определения параметров положения и пространственной ориентации ЛА. Выходом в подобной ситуации является совместная обработка информации нескольких измерителей, то есть комплексирование измерителей.

Таким образом, сущность комплексирования состоит в том, чтобы использовать информацию об одних и тех же или функционально связанных параметрах, полученных от различных измерителей, для повышения точности и надежности определения местоположения и пространственной ориентации ЛА. То есть КСН является единой многомерной измерительной системой, в которой процессы получения и обработки информации осуществляются в определенной взаимосвязи, позволяющей дополнить измерения, компенсировать и фильтровать погрешности. Благодаря включению в структуру КСН централизованных или специализированных вычислительных комплексов, осуществляющих оптимальную обработку большого объема информации на основе специальных алгоритмов достигается высокая точность и надежность измерений, а также помехозащищенность в сложных условиях движения ЛА.

КСН как составная часть пилотажно-навигационных комплексов. Из вышесказанного следует, что комплексные системы навигации предназначены для выполнения всей совокупности операций по получению, обработке и выдаче потребителям информации о параметрах движения ЛА, о состоянии окружающей обстановки и относительном движении целей (аэродромов, ориентиров, подвижных объектов и.тд.). Большое количество навигационной информации на борту современных ЛА, поступающей от многочисленных и различных техническсих средств чрезвычайно затрудняет её использование экипажем для управления ЛА. По этой причине потребовалось автоматизировать процесс обработки информации с вводом нужных параметров в систему управленения ЛА и обеспечить наглядное отображение нужной информации для навигации, управления и контроля за работой всего замкнутого контура управления ЛА. Решение перечисленных выше задач обеспечивается на основе взаимодействия КСН и систем управления полетом в структуре пилотажно-навигационного комплекса. Вот почему КСН должна рассматриваться как элемент замкнутой системы управления ЛА.

Следующая схема иллюстрирует включение КСН в структуру ПНК. ПНК включает в свой состав измерители навигационных и пилотажных параметров (навигационные устройства и системы), боротовой цифровой вычислительный комплекс, систему индикации и отображения, исполнительную и управляющую системы.

Приведенная функциональная схема ПНК является достаточно общей. Очевидно, что конкретная реализация приведенных выше функциональных блоков ПНК определяется определяется его назначением и теми конкретными задачами, которые призван решать данный ЛА, а также особенностями его летно-технических характеристик. Однако имеется ряд задач, в наибольшей степени определяющих структуру ПНК. К таким задачам можно отнести:

· непрерывное автоматическое определение координат местоположения ЛА;

· непрерывное автоматическое определение координат пространствененного положения ЛА в используемых в данном комплексе системах координат (курс, крен, тангаж);

· непрерывное автоматическое определение других навигационных параметров (путевая скорость, воздушная скорость, угол сноса, барометрическая высота, истинная высота и др.)

· автоматическая коррекция координат местоположения ЛА;

· выдача информации о навигационных параметрах в систему индикации и отображения, а также другие сопрягаемые с ПНК бортовые системы ЛА.

· автоматическая стабилизация и автоматическое управление ЛА в полете.

В настоящее время состав измерителей навигационной и пилотажной информации главным образом определяется необходимостью решения с достаточной точностью таких важных задач, как определение местоположения ЛА и его пространственной ориентации.

На приведенной схеме КСН представлена набором взаимосвязанных бортовых, наземных, либо бортовых и наземных технических средств, основанных на различных принципах действия.

При комплексной обработке навигационной информации, как правило, существенный положительный эффект удается получить при объединении в комплексную систему навигации радиотехнических (РТИ) и нерадиотехничеких (НРТИ) измерителей. Это обусловлено прежде всего тем, что спектральные плотности ошибок радиотехнических и нерадиотехнических навигационных измерителей значительно отличаются друг от друга. Выигрыш при комплексировании данных РТИ и НРТИ в точности и помехоустойчивости во многом и определяется различием спектральных характеристик ошибок.

Идею комплексирования РТИ и НРТИ иллюстрирует приведенный выше рисунок на котором в качестве примера приведена спектральные плотности радиотехничекого (S2(w)) и нерадиотехнического (S1(w)) устройств, измеряющих одни и тот же навигационный параметр. Из него видно, что большая часть энергии помехи нерадиотехнического навигационного измерителя сосредоточена в низкочастотной области. Напротив, помехи радиотехничекого навигационного измерителя в высокочастотной области. Как известно дисперсии ошибок измерений связаны со спектральной плотностью соотношением:

¥

s21 =1/2p ò S1(w)dw

¥

s22 =1/2p ò S2(w)dw

В этом случае задача комплексной обработки информации РТИ и НРТИ сводится к формированию такого оптимального фильтра связи, при котором дисперсия суммарной ошибки измерений в результате комплексирования данных РТИ и НРТИ была бы минимальной. В дальнейшем мы более подробно остановимся на методах построения оптимальных фильтров.

Сравнение характеристик РТИ и НРТИ позволяет выделить их некоторые достоинства и недостатки с точки зрения их использования в КСН.

Достоинства РТИ: высокая точность измерения навигационных параметров, практически независящая от времени движения и слабая зависимость функционирования от метеоуслови, временр года и суток.

Недостатки РТИ: ограниченная для многих устройств и систем дальность действия, подверженность действию радиопомех; ограниченная пропускная способность некоторых РТИ.

Достоинства НРТИ: неограниченная дальность действия, независимость функционирования огт помех для многих типов НРТИ и скрытность работы.

Недостатки НРТИ: малая по сравнению с РТИ точность измерения навигационных параметров, которая, как правило ухудшается с увеличением времени полета. Например, среднеквадратическая ошибка за счет кратковременных уходов современных гироскопов, входящих в состав ИНС, может достигать 120 метров за 10 мин; ошибка за счет уходов длительной периодичности может достигать 2.....4 км за час полета, поэтому счисление пути с помощью ИНС может привести к неприемлемым ошибкам навигации.

В КСН в различных сочетаниях, как правило входят следующие измерители навигационной и пилотажной информации:

· инерциальная навигационная система (ИНС);

· доплеровский измеритель путевой скорости и угла сноса;

· система воздушных сигналов (СВС), измеряющая воздушную скорость;

· самолетная система курсо-вертикали (СКВ), измеряющая курс, крен и тангаж;

· радиотехническая угломерно-дальномерная система;

· радиотехническая разностно-дальномерная система;

· оптико-инфракрасные визирные системы и.т.д

Классификация комплексных навигационных измерителей. В рамках приведенной функциональной схемы ПНК КСН можно классифицировать по ряду признаков, наиболее существенными из которых являются: степень интеграции оборудования В КСН; степннь помехозащищенности, степень обеспеченности информацией, уровень автоматизации обработки информации, характер стационарности структуры измерительной информации, объем режимности работы, виды взаимосвязей с потребителями информации, методы обеспечения надежности, живучести и ремонтоспособности.

По степени интеграции оборудования КСН могут быть:

· простыми и состоять, например из двух радиовысотмеров малых высот в системе посадки самолета

· сложными, образующими комплексные навигационные системы, например комплексные системы ближней навигации и посадки, в состав которых входят доплеровский измеритель скорости, инерциальная навигационная система, система курсовертикали, система воздушных сигналов, радиосистема ближней навигации, радиосистема дальней навигации.

В зависимости от степени пмехозащищенности КСН могут быть:

· автономными, функционирование которых обеспечивается только за счет навигационных устройств, размещаемых на борту ЛА. К таким навигационным устройствам относятся: иннерциальная навигауионная система, доплеровский измеритель скорости и угла сноса, корреляционно-экстремальная навигационная система.

· неавтономными, функционирование которых связано сработой наземных станций илим станций, размещаемых на других носителях. К неавтономным навигационным устройствам относятся: дальномерные, дальномерно-разностные радитехнические системы, а также спутниковая система.

Автономные системы являются, как правило более помехозащищенными, но характеризуются меньшей точностью определения навигационных параметров. Неавтономные системы, напротив, подвержены влиянию помеховых воздействий, но принципиально позволяют определить местоположение с более высокой точностью.

В зависимости от степени обеспеченности информацией КСН могут быть:

· информационно-недостаточными, в которых объем получаемой первичной информации не покрывает всех потребностей в измерении навигационных параметров

· инфоримационно-достаточными

· информационно-избыточными. В этом случае избыток информации используется для повышения точности определения параметров положения и пространственной ориентации ЛА.

По уровню автоматизации обработки информации КСН подразделяются на:

· полуавтоматические, в которых ряд операций выполняется человеком;

· автоматические, с обработкой всего потока информации на вычислительных машинах.

Наше внимание в рамках данного курса будет сосредоточено на автоматических КСН. При этом необходимо заметить следующее: в настоящее время степень интеграции устройств и систем такова, что комплексной использование информации наиболее широко применяется при её вторичной обработке. В перспективе предполагается комплексирование измерителей и для целей первичной обработки информации. В данном случае под первичной обработкой мы понимаем - поиск, селекция, преобразование и усиление выходных параметров навигационных и пилотажных измерителей для определения навигационных параметров. Например, дальность до радиомаяка или азимут объекта в бортовом оборудовании РСБН. Под вторичной обработкой информации понимают выполняемую в специализированных вычислителях или БЦВК обработку выходных сигналов измерителей для определения, например, текущих координат местоположения объекта.

Длительное время для комплексной вторичной обработки информации использовались простейшие эвристические алгоритмы. Например, при наличии нескольких сигналов, представляющих собой результаты измерения одной и той же величины, использовались алгоритмы, которые позволяли выделить из этой совокупности один сигнал повышенной точности. В эвристических схемах также часто применяются методы теории инвариантности. В рамках данного курса мы рассмотрим принципы построения устройств совместной обработки информации по схемам взаимной компенсации и фильтрации ошибок измерителей.

В настоящее время при комплексной вторичной обработке информации используются оптимальные алгоритмы оценивания, базирующиеся на дифференциальных или разностных уравнениях на основе методов калмановской фильтрации.

Очевидно, что комплексная вторичная обработка информации дает положительный эффект лишь тогда, когда соответствующие измерители работоспособны, то есть на их выходе имеются достаточно хорошие сигналы(естественно, наблюдаемые с ошибками), сформированные в результате первичной обработки. Многие измерители, прежде всего радиотехнические, не всегда находятся в работоспособном состоянии. Например, нередко наблюдается срыв сопровождения сигналов дальности или азимута в РСБН из-за действия помех, ограниченная работоспособности ДИС при больших углах крена или тангажа. Оптимизация алгоритмов, которые мы будем рассматривать в дальнейших разделах нашего курса, естественно не затрагивает оптимизацию самих измерителей.

В зависимости от степени стационарности структура КСН может быть:

· постоянная, не мняющаяся от условий полета и режимов навигации;

· режимная, изменяющаяся в зависимости от информационной потребности задач навигации;

· самонастраивающаяся с автоматическим изменением параметров для повышения эффективности измерений в различных условиях движения;

· самоорганизующаяся, в которой состав оборудованя и связи между измерительными подсистемами приспосабливаются или адаптируются к условиям движения объекта;

· эволюционная (самоусовершенствующаяся), у которой структура целенаправленно улучшается в результате обучения, уиточнения корреляционных связей между статистически связанными параметрами.

В зависимости от объема навигационных режимов КСН подразделяются на:

· однорежимные, решающие навигационные задачи только одного режима навигации;

· многорежимные, у которых предусмотрено несколько специализированных подсистем, каждая из которых обеспечивает функции только одного режима навигации;

· всережимные с универсальным оборудованием способные выполнять измерения в нескольких или во всех режимах навигации.

· В процессе проектирования КСН необходимо стремиться к максимальной универсализации оборудования, так как чем универсальнее по своим режимным свойствам КСН, тем меньше вес и объем навигационного оборудования.

По видам связей с потребителями навигационной информации КСН могут быть разделены на:

· беспилотные. Беспилотные КСН дают информацию для систем автоматического управления движением ЛА и автоматические системы, выполняющие различные рабочие функции.

· телеуправляемые КСН, кроме автономных измерений используют внешнюю управляющую информацию для решения навигационных задач.

· пилотные КСН. Пилотные КСН содержат системы отображения информации для передачи навигационной информации человеку-оператору и средства коррекции для обратного управляющего воздействия со стороны человека на КСН.

Разнообразие связей КСН с потребителями обусловлено тем, что в процессе навигации и управления пилотируемым ЛА участвуют как ПНК так и экипаж. Различие схем взаимодействия экипажа и ПНК зависит от степени и характера участия экипажа в процессе управления. Различают следующие виды управления:

· ручное, при котором летчик получает информацию о текущем положении и ЛА, анализирует полученную информацию, вырабатывает команды управления и реализует их, воздействуя на рычаги управления;

· директорное при котором производится автоматическое формирование команд, исполнение которых обеспечивается летчиком в режиме ручного управления; автоматическое управление, при котором формирование команд управления и их выполнение производятся автоматически.

По методам обеспечения надежности, живучести и ремонтоспособности КСН подразделяются на:

· номинальные, у которых надежность обеспечивается за счет запаса механической и электрической прочности элементов конструкции и схем. Ремонт в таких системах предусматривается в производственных помещениях;

· резервируемые, обладающие высокой надежностью и живучестью благодаря применению элементного и схемного резервирования. Частичный ремонт в условиях движения ЛА может выполняться путем замены отказавших элементов конструкции исправными из резерва;

· самовосстанавливающиеся, отличающиеся способностью контролировать состояние оборудования и выполнять текущий ремонт в процессе движения объекта.