Scrigroup - Documente si articole

Username / Parola inexistente      

Home Documente Upload Resurse Alte limbi doc  

CATEGORII DOCUMENTE




BulgaraCeha slovacaCroataEnglezaEstonaFinlandezaFranceza
GermanaItalianaLetonaLituanianaMaghiaraOlandezaPoloneza
SarbaSlovenaSpaniolaSuedezaTurcaUcraineana

БудівництвоЕлектроннийМедицинаОсвітаФінансигеографіяекономіказаконодавство
косметикамаркетингматематикаполітикаправопсихологіярізнийсоціологія
технікауправлінняфізичнийхарчуванняінформаціюісторія

СУБОПТИМАЛЬНІ СХЕМИ ФІЛЬТРАЦІЇ В ІНЕРЦІАЛЬНО-СУПУТНИКОВИХ

різний

+ Font mai mare | - Font mai mic






DOCUMENTE SIMILARE

Trimite pe Messenger

СУБОПТИМАЛЬНІ СХЕМИ ФІЛЬТРАЦІЇ В ІНЕРЦІАЛЬНО-СУПУТНИКОВИХ
СИСТЕМАХ УПРАВЛІННЯ ТА НАВІГАЦІЇ

Проведено аналіз застосування Калмановської фільтрації та показані певні труднощі її практичній реалізації на борту ЛА, особливо при інтеграції супутникових систем з безплатформними інерціальними системами навігації. Запропоновано для цілій інтеграції інерціально-супутникових навігаційних систем застосовувати більш привабливі швидкодіючі, некритичні до нестаціонарних випадкових процесів схеми комплексування на основі схем компенсації. Розроблений для схеми компенсації динамічний фільтра третього порядку зі змінною структурою показав при дослідженнях властивості не гірше ніж оптимальна Калмановська фільтрація.


Актуальність дослідження. Прогрес в області супутникової навігації різко прискорився в зв'язку зі створенням не тільки американської (GPS) і російської (Glonass) супутникових систем, але і підключенням країн Європейського Союзу до розвитку спільної мережі супутникових систем (проекти EGNOS, Galileo). Це привело до появи цілої індустрії виробництва супутникових навігаційних систем (СНС) для найрізноманітніших застосувань. У той же час використання тільки цих систем для задач навігації і управління польотом ЛА явно недостатньо.

Сформована в даний момент практика створення і застосування навігаційних систем заснована на використанні інтегрованих інерціально-супутникових систем навігації (ІССН). При цьому ІССН можуть бути у свою чергу інтегровані з барометричними або радіотехнічними висотомірами й іншими бортовими вимірниками. Інтеграція інерціальної та супутникової систем реалізується шляхом комплексування двох систем.

Безумовно Калмановська фільтрація найбільш приваблива при вирішенні задачі комплексної обробки інформації в інерціально-супутникових системах навігації. Проте, використання фільтра Калмана зустрічає певних труднощів при його практичній реалізації на борті ЛА. При комплексуванні оцінюється положення і швидкість ЛА, причому ці дані можуть надходити не тільки споживачам, але і контурам спостереження за затримкою і за фазою приймачів СНС. Необхідно, щоб ці дані надходили з високою швидкістю так, щоб період часу між вимірами в підсистемі СНС був розбитий на велику кількість підінтервалів для цілей корекції контурів спостереження. Тобто зв'язок блоку фільтра Калмана з контурами приймача СНС дуже жорстка, тому фільтр Калмана повинний бути дуже швидкодіючій, що обмежується характеристиками процесорів бортових ЦОМ .

Стосовно до бесплатформних інерціальних навігаційних систем (БІНС) використання фільтра Калмана зустрічає додаткових труднощів. Зокрема, у БІНС основні джерела погрішностей дрейфи гіроскопічних датчиків і акселерометрів, унаслідок нестаціонарності матриці переходу від однієї системи координат, зв'язаної з ЛА, до іншої навігаційної, будуть нестаціонарними випадковими процесами навіть при стаціонарності випадкових процесів, що являють собою дрейфи реальних датчиків. Цей факт створює труднощі при ідентифікації помилок БІНС методами оптимальної фільтрації [1]. У платформних ІНС цих труднощів не виникає, тому що осі реальної гироплатформи мало відхиляються від осей навігаційної системи координат.

Постановка задачі. На даний час у сучасних бортових комплексах крім алгоритмів оптимального оцінювання вектора стану (алгоритмів Калмановської фільтрації), існують способи обробки однорідної інформації, що добре собі зарекомендували на практиці. Це способи взаємної компенсації і фільтрації погрішностей вимірників одного і того ж самого навігаційного параметра.

Доцільність використання методу компенсації при обробці інформації в інерціально-супутникових системах навігації пояснюється тим, що в даному випадку вимір навігаційних параметрів здійснюються вимірниками, що засновані на різних фізичних принципах, і при цьому помилки цих вимірників лежать у різних частотних діапазонах.

Структурна схема реалізації методу компенсації представлена на рис.1. Алгоритм же комплексної обробки інформації, що використовує метод компенсації, має в порівнянні з оптимальною Калмановською фільтрацією досить простий вигляд:

де F(p) - динамічний фільтр схеми компенсації; - навігаційні параметри (координати і складові швидкості) одержувані від БІНС і СНС; - оцінка даного навігаційного параметра.

Постановка задачі може бути сформульована наступним чином: визначити таку структуру динамічного фільтра схеми компенсації, яка би забезпечувала сумісну обробки однорідної інформації від БІНС та СНС з якістю близькою до оптимальної.

Розвязання задачі.



Рівняння схеми компенсації (рис.1) може бути записане у вигляді:

або

де - погрішності комплексної системи.

Погрішність буде тим менше, ніж більш сильніше розбіжність у спектральних характеристиках погрішностей вимірників і [2].

Якщо вибрати фільтр F(p) таким, щоб він з мінімальним спотворенням пропускав заваду x1 і заглушував заваду x2, то помилка комплексної системи буде мінімальною, тобто помилка зменшується залежно від різниці в спектральних характеристиках завад x1 та x2. При значній різниці в частотних характеристиках завад на виході фільтра F(p) (див. рис.1) повністю буде відтворюватися завада x1, а на виході другого пристою віднімання В2 відтворюється точне значення вимірюваного параметра х, оскільки

.

Однак реальний фільтр, пропускаючи частку енергії завадиx1, не повністю заглушує заваду x2, як наслідок цього вихідний сигнал схеми окрім потрібної величини х буде містити помилку [2].

Відповідно до зазначених умов F(p) повинен бути фільтром низьких частот, тоді фільтр з характеристикою [1 - F(p)] стає фільтром високих частот. Фільтр високих частот може бути реалізований, в простішому випадку за допомогою реальної аперіодичної ланки з передаточною функцією

де Т - стала часу фільтра.

Передаточна функція фільтра низьких частот

(1)

являє собою реальну диференціювальну ланку.

Попередні дослідження алгоритмів комплексної обробки інформації за методом компенсації в інерціально-супутникової системі здійснювалися з використанням моделі однокомпонентної БІНС. Результати досліджень показали, що при збільшенні сталої часу відносно знайденого оптимального значення поліпшується згладжування шумів СНС, але при цьому істотно збільшується інерційність системи і, навпаки.

Крім того, результати моделювання показують, що оцінка вихідних параметрів непорівнянно менше помилки самої БІНС. Однак, у порівнянні з помилкою СНС має місце зміна помилки схеми компенсації в часі. Максимум досягається (по координаті) на половині часу періоду Шулера. При цьому помилка приблизно в два рази перевищує помилку опорної системи (СНС). Це пояснюється тим, що помилка БІНС обумовлена погрішністю датчика кутової швидкості, крім складової, що змінюється з періодом Шулера, має складову, котра наростає пропорційно часу. Фільтр же низьких частот (1) ефективний тільки для постійних, не змінних у часі помилок. У роботі був проведений ряд експериментальних досліджень з удосконалення фільтра схеми компенсації. Експерименти проводилися з метою зменшення викривлення складових помилки БІНС, які в основному і викликають помилку схеми компенсації. В експерименті показано, що збільшення фільтруючих властивостей фільтра (високочастотної складової) не приводить до бажаного результату, тобто до зменшення помилки схеми компенсації. Однак, більш складний фільтр третього порядку вигляду:




за результатами іспитів показав результати не гірше, ніж схема оптимальної фільтрації.

Для такого динамічного фільтра передатна функція фільтра низьких частот має вигляд

.

При досить великих сталих часу Т трійкою в чисельнику можна зневажити і тоді фільтр низьких частот здобуває вид

.

Такий фільтр уже не пропускає не тільки сталу складову помилки БІНС, але і помилки, що змінюються за законами першого і другого порядків.

Фільтр високих частот

за рахунок наявності форсуючої ланки (3Тр + 1) трохи підсилює високочастотну складову помилки СНС, але це з успіхом компенсується потрійним збільшенням його фільтруючих властивостей.

Дослідження алгоритмів комплексної обробки інформації, що реалізують метод компенсації з різними конфігураціями динамічного фільтра здійснювалися на повних моделях БІНС і СНС.

Сигнали від супутникової навігаційної системи моделювалися як сигнали еталонної навігаційної системи з накладенням на ці сигнали випадкових високочастотних погрішностей. Високочастотні погрішності СНС моделювалися білим шумом (час вибірки 1 сек), рівень якого відповідає реальним погрішностям СНС, зокрема середньоквадратична погрішність виміру координат, складає 20м, а складових швидкості 0,2м/с.


Крім білого шуму на вихідні сигнали еталонної навігаційної може бути накладена випадкова низькочастотна складова, що змінюється з періодом приблизно в два три рази більшим періоду маятника Шулера. Ця складова обумовлена погрішностями рішень приймача СНС, які залежать від геометричного фактора. На рис. 3 показаний реальний запис спостережень вихідних сигналів приймача СНС, а на рис. 2 реалізації моделі помилок супутникової системи, тобто білий шум і випадкова низькочастотна складова помилки СНС. Загальний характер двох сигналів ідентичний, що підтверджує правильність підходів до моделювання погрішностей супутникової системи.

У роботі досліджувалися сталі режими роботи класичної схеми комплексної обробки інформації на основі схеми компенсації, що застосовується, наприклад, в існуючих інерціально-доплеровських системах, і схеми на основі розробленого фільтру третього порядку.

Результати моделювання приведені на рис. 4, 5. Рис. 4 ілюструє зміну помилки числення координати Dl у БІНС, а рис. 5 зміну помилок оцінки координати при використанні класичної і розробленої схеми.





Результати досліджень показують, що використання навіть класичної схеми комплексної обробки інформації на основі схеми компенсації, зводить помилку оцінки по координатах з 140 км до 400 м. Використання ж розробленого фільтра зводить помилку оцінки координати до (510м. На осцилограмах рис. 6 приведені в збільшеному масштабі найбільш характерні відрізки часу для перегляду змін помилки оцінки координати на фоні помилок супутникової навігаційної системи. Графіки ілюструють гарні фільтруючі властивості схеми комплексування і досить високі точністні характеристики оцінки поточних координат місця розташування літака.


Однієї з найважливіших характеристик будь-якої схеми комплексування є її збіжність і час збіжності. При використанні схеми компенсації на основі стаціонарного фільтра час збіжності, природно, залежить від сталої часу фільтра. При цьому повинний бути розумний компроміс між фільтруючими властивостями фільтра і часом установлення. На осцилограмах рис. 7 показані процеси відпрацьовування початкових помилок БІНС при використанні класичної схеми компенсації - Класика і схеми, що використовує пропонований фільтр третього порядку.- Нова. Рис. 7 б ілюструє той же перехідній процес, але в збільшеному масштабі часу. Для класичної схеми час перехідного процесу складає три сталих часу фільтра tпп = 3Тф 15 сек, для схеми Нова час перехідного процесу збільшується вдвічі
tпп
30 сек, до того ж має місце перерегулювання


. У цьому зв'язку в роботі запропоновано використовувати в схемі комплексування фільтр із змінною структурою. Перехідні процеси ліквідації початкових помилок числення координат схемою компенсації, що використовує фільтр із змінною структурою, ілюструються осцилограмами на рис. 8.

Структура фільтра схеми компенсації змінюється в часі і має вигляд

У момент відновлення рішень супутникової навігаційної системи (початок роботи схеми комплексування) використовується класична схема з аперіодичним фільтром, що за мінімальний час доводить помилку схеми компенсації до рівня шумів супутникової навігаційної системи. Природно, що фільтруючі властивості такої схеми дуже низькі, тому згодом аперіодичний фільтр заміняється фільтром третього порядку, у якого стала часу послідовно збільшується до рівня сталої часу стаціонарного фільтра.

Висновки. На відміну від Калмановської фільтрації запропонований підхід до комплексування інерціально-супутникових систем навігації на основі схеми компенсації більш швидкодіючій, некритичний до нестаціонарних випадкових процесів, що являють собою дрейфи реальних датчиків первинної інформації БІНС, а також досить легко може бути реалізований в бортових процесорах ЦОМ. Розроблений для схеми компенсації динамічний фільтра третього порядку зі змінною структурою, як показали дослідження забезпечує гарні фільтруючі властивості схеми комплексування і досить високі точністні характеристики оцінки поточних координат.

Список літератури

1.      Н.Т. Кузовков, О.С. Салычев. Инерциальная навигация и оптимальная фильтрация: - М.: Машиностроение, 1982. - 216 с.

2.      В.О. Рогожин, В.М. Синєглазов, М.К. Філяшкін. Пілотажно-навігаційні комплекси повітряних суден. К.: Вид-во НАУ, 2005. 316 с.








Politica de confidentialitate

DISTRIBUIE DOCUMENTUL

Comentarii


Vizualizari: 1082
Importanta: rank

Comenteaza documentul:

Te rugam sa te autentifici sau sa iti faci cont pentru a putea comenta

Creaza cont nou

Termeni si conditii de utilizare | Contact
© SCRIGROUP 2019 . All rights reserved

Distribuie URL

Adauga cod HTML in site