Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
46
"КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ"
Корольов Володимир Миколайович
РОЗРОБКА ТА ПІДВИЩЕННЯ ТОЧНОСТІ НАВІГАЦІЙНИХ КОМПЛЕКСІВ СИСТЕМИ ЗОВНІШНОГО ЦІЛЕВКАЗУВАННЯ НАЗЕМНИХ РУХОМИХ ОБ’ЄКТІВ
Спеціальність 05.11.03 - "Гіроскопи і навігаційні системи"
Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня
доктора технічних наук
Київ –
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана на кафедрі приладів та систем керування літальними апаратами Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут" Міністерства освіти і науки України та в Львівському науково-дослідному радіотехнічному інституті Міністерства промислової політики України.
|
Науковий консультант |
Доктор технічних наук, професор, Лауреат Державних премій СРСР та України, Заслужений діяч науки і техніки, Збруцький Олександр ВасильовичНаціональний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, завідувач кафедри приладів і систем керування літальними апаратами, декан факультету авіаційних та космічних систем. |
|
Офіційні опоненти: |
Доктор технічних наук, професор, Довгополий Анатолій Степанович,Державна Корпорація “Антонов”, радник Генерального директора; |
|
Доктор технічних наук, професор Карачун Володимир Володимирович,Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, зав. кафедри біотехніки та інженерії; |
|
|
Доктор технічних наук, Чіковані Валерій Валеріанович,Національний авіаційний університет, професор кафедри систем управління. |
|
|
Провідна установа |
Казенне підприємство “Центральне конструкторське бюро “Арсенал”, Національне Космічне Агентство України, м. Київ. |
Захист відбудеться “” червня 2006 р. о .30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.002.07 при Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, м. Київ, проспект Перемоги, 37, корп. 1, ауд. .
З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, м. Київ, проспект Перемоги, 37.
Автореферат розісланий " " квітня 2006р.
|
Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д26.002.07, д.т.н., професор |
Л.М. Рижков |
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Сучасні танки –це бойові машини, яким притаманні рухливість, вогнева могутність, захищеність від зовнішніх уражаючих факторів, що забезпечують їм можливість вирішувати штатні задачі по знищенню противника в усіх видах бойової діяльності. Історія розвитку бронетанкової техніки –це вдосконалення вогневої могутності, рухливості та захищеності окремого танка. З появою нових засобів його ураження одиночний танк стає дуже вразливою ціллю. Для протитанкових засобів противника основним видом боротьби з танками є далекий бій, коли вогонь на ураження відкривається з дальності понад 3 км.
Танки не здатні успішно боротися з протитанковими засобами противника на віддалях понад 3 км з наступних причин:
Всі ці недоліки приводять до того, що при видимій небезпечній цілі командир не може організувати вогонь декількох танків у заданий час з місця (потрібні витраті часу понад 3 хвилини) і принципово не може під час руху.
Військові фахівці вважають, що маневр вогнем (зосередження вогню декількох бойових машин по однієї цілі) є перспективним шляхом підвищення ефективності дій танкового підрозділу. Як свідчать дослідження, проведені у військовій академії Бронетанкових військ (Росія), в основі маневру вогнем підрозділу є зовнішнє цілевказування, коли інформація о цілі передається з командирської машини на підлеглу. Тому одним з перспективних напрямків розвитку бронетанкової техніки військові спеціалісти вважають створення системи управління цілевказуванням наземними бойовими машинами підрозділу. Серед способів цілевказування, що застосовуються у військах, найбільш перспективним вважають координатний спосіб. У цьому випадку усі машини, яки приймають участь в рішенні задачі, оснащуються системами навігації. На командирської машині визначаються координати цілі і передаються на підлеглу, де визначається напрямок, під яким слід виявляти ціль. Сучасний рівень розвитку протитанкових засобів ураження є такий, що ціль повинна бути нейтралізованою через 20 с після виявлення. Це накладає жорсткі часові обмеження на цілевказування в цілому, як і на окремі його етапи. Зокрема виявлення цілі з підлеглої машини повинно бути здійснено за проміжок часу порядку 1 с. Його тривалість залежить від багатьох причин, але головна з них –наскільки далеко від перехрестя прицілу з’явиться ціль після розташування його в напряму цілі. Дослідження, які проведено у військовій академії Бронетанкових військ показали, що помилка цілевказування не повинна перевищувати кут в 12 млрад. Похибка цілевказування у власну чергу сама залежить від багатьох причин, головною з яких є похибки визначення місцеположення машин. Таким чином, забезпечення навігаційною інформацією (навігаційне забезпечення) необхідної точності стає одним з вирішальних чинників в організації системи управління цілевказуванням. Військові фахівці провідних країн розглядають навігаційне забезпечення як один з найважливіших видів бойового забезпечення, а навігаційну апаратуру –як одну з головних складових системи управління цілевказуванням.
Виходячи з досвіду сучасних локальних конфліктів, підрозділи Сухопутних військ змушені вирішувати завдання з широким застосуванням маневру як по фронту, так і в глибину, що підвищує питому вагу систем управління. Пресування, відкриті сутички, спеціальні операції відбуваються вночі або в умовах обмеженої видимості, як правило, на незнайомій території. У звязку з цим різко зростає роль та значення управління підрозділами з метою забезпечення своєчасного і точного вирішення бойових завдань. Під час їх виконання у складі підрозділів командири мають володіти інформацією про розташування своїх сил та сил противника у будь-який момент часу.
З викладеного вище витікає, що розробка уніфікованого навігаційного комплексу для об’єктів бронетанкової техніки в інтересах системи управління цілевказуванням підрозділу, є актуальною проблемою, яка досі не вирішена. Особливо актуальним розв’язання цієї проблеми є в теперішній час, коли Україна в жорсткій конкурентній боротьбі відстоює своє місце на міжнародних ринках бронетанкових озброєнь.
Зв’язок з науковими програмами, планами, темами. Робота зв’язана з планами робіт КП ХКБМ ім. Морозова, Львівського науково-дослідного радіотехнічного інституту по створенню навігаційних комплексів для системи управління цілевказуванням бронетанкової техніки (“ДКР “КОЛЬЕ”: “Розробка інформаційно-керуючої системи (ТИУС)”(договір №369/1776-ХКБМ від 04.09.1997р.)”); Військового інституту при НУ "Львівська політехніка" та Науково-аналітичного центру критичних технологій навігаційного приладобудування НТУУ "КПІ".
Мета і задачі роботи. Метою роботи є розробка навігаційного комплексу системи цілевказування танкового підрозділу в сучасних умовах ведення бою для підвищення оперативності цілевказування та забезпечення необхідної точності визначення напрямку на ціль, розробка структури системи цілевказування в танковому підрозділі для підвищення оперативності рішення бойових задач.
Для досягнення цієї мети в дисертаційної роботі вирішені наступні взаємозв’язані проблеми.
Об’єктом досліджень виступає навігаційний комплекс системи управління цілевказуванням наземних рухомих об’єктів.
Предметом досліджень є методи та засоби створення уніфікованого навігаційного комплексу системи управління цілевказуванням, що реалізують комплексовану обробку навігаційної інформації.
Методи дослідження. Для розв’язання цих задач застосований апарат математичного аналізу, теорії ймовірностей та математичної статистики, теорії випадкових процесів, теорії управління, вищої алгебри та диференційних рівнянь, обчислювальних методів.
Наукова новизна отриманих результатів. В результаті проведених досліджень були отримані наступні нові результати.
В науковому плані:
В прикладному плані:
Наукові результати отримано автором особисто і є основою рішення поставленої наукової проблеми.
Особистий внесок здобувача. Всі наукові результати, викладені у дисертації, отримано особисто автором, що підтверджується одноосібними публікаціями з ключових аспектів проблеми. Із списку наведених у дисертації опублікованих праць, виконаних у співавторстві, здобувачу належать математичні моделі, алгоритми обробки матеріалів моделювання, аналіз результатів.
Практичне значення одержаних результатів полягає в:
Результати роботи застосовано в виробах “Брошь”, “Керн“, “Оболонь А” та “ТИУС-Н” Львівського науково-дослідного радіотехнічного інституту, м. Львів, в танку “Аль-Халид”, а також в дослідних зразках танку “Ятаган” Харківського конструкторського бюро машинобудування ім. О.О. Морозова, м. Харків. Апаратуру навігаційного забезпечення “ТИУС-Н” в складі вітчизняного танку “Оплот” прийнято на озброєння армії України.
Отримані результати дозволили забезпечити необхідні точності визначення навігаційних параметрів та вимоги по точності з боку зовнішнього цілевказування. Методика оцінки впливу складових помилок на точність зовнішньої цілевказування дозволяє визначити точністні вимоги до систем навігації при заданій точності зовнішнього цілевказування, та навпаки.
Достовірність результатів роботи підтверджується математичним та напівнатурним моделюванням, експериментами на полігоні з зразками нової техніки.
Апробація результатів дисертації. Основні наукові положення дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на науково-технічних конференціях та симпозіумах: на Міжнародній науково-технічній конференції "Гіротехнології, навігація та управління рухом", Київ, 1997, 2001, 2005 рр., на Міжнародній науково-технічній конференції "Сучасні досягнення геодезичної науки та виробництва", Львів-Яворів, 2000, 2001, 2002, 2003, 2004, 2005р.р., на V-й Міжнародній науково-технічній конференції “Кадастр, фотограмметрія, геоінформатика –сучасні технології та перспективи розвитку”, Кальварія Зебжидовська, Польща, 2005р., на Міжнародному науково-технічному симпозіумі "Геоінформацийний моніторинг навколишнього середовища –GPS; GIS-технології", Алушта, Крим, 2000, 2001, 2002, 2003, 2005 рр., на науково-технічній конференції "Приладобудування 2002: підсумки і перспективи", Київ, 2002р.
Публікації. Основні результати роботи опубліковані в 23 статтях, з них 20 –у виданнях, які входять в перелік, затверджений ВАК, та 15 доповідях і тезах доповідей на конференціях. За результатами роботи отримано патент на винахід.
Структура та об’єм дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, 5 розділів та заключення і викладена на 269 стор. В роботі приведено 33 графіка і схеми та 20 таблиць. Список використаних джерел містить 190 назв.
ОСНОВНОЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обґрунтовується актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовані мета та основні задачі, що вирішуються, приводяться основні положення, що виносяться на захист, описується новизна, практичне значення та реалізація результатів роботи.
В першому розділі виконано аналіз проблеми розробки системи навігації, сформовані основні напрямки досліджень.
Показано, що одиночні танки при сучасному рівні розвитку протитанкових засобів є дуже вразливими цілями. Одиночній танк в сучасних умовах є нездатний для боротьби з протитанковими засобами противника. Для того, щоб підвищити ймовірність ураження протитанкових засобів противника, необхідно здійснювати маневр вогнем підрозділу бойових машин. Тому створення системи управління цілевказуванням бойовими машинами підрозділу є одним з перспективних напрямків подальшого розвитку бронетанкової техніки. Для керування боєм командирові необхідна інформація про місцеположення бойових одиниць власних та противника в будь-якій момент часу, тому наявність навігаційної інформації є важливим фактором в організації системи управління цілевказуванням. Об’єкт, що оснащений системою управління цілевказуванням, у складі підрозділу повинен забезпечувати: збір та обробку інформації, у тому числі і від зовнішніх джерел, передачу необхідної інформації як всередині, так і назовні, прийом і обробку цієї інформації у споживача, управління об’єктами підрозділу з будь-якої машини по відповідних директивах оператора, захист інформаційних потоків від несанкціонованого доступу, необмежений час роботи тощо. Для цього система управління цілевказуванням має вирішувати наступні задачі: визначення поточних навігаційних параметрів (х, y, , H, V, t), ведення календаря та служби часу, визначення параметрів пункту призначення (напрям і дальність до нього, час прибуття та інш.), збір інформації про місцеположення підлеглих за директивами командира, збір інформації про боєготовність машин підрозділу, зовнішнього цілевказування, прийом і передача телетексту, прийом повідомлень з радіолінії, їх обробка, обробка і відправка в радіолінію командних повідомлень, та повідомлень-відповідей. Серед усіх задач, що вирішуються системою управління цілевказуванням, вимоги по точності при рішенні задачі зовнішнього цілевказування найбільш жорсткі. Тому в подальшому будемо орієнтуватись на їх забезпечення, що автоматично задовольнить вимоги, які висуваються іншими задачами.
Запропоновано технологію зовнішнього цілевказування з використанням навігаційної інформації. Визначення місцеположення цілей може здійснюватись двома способами –контрастним та координатним.
Контрастний спосіб базується на виділені цілі трасуючими кулями і снарядами, розривами снарядів, снарядами з кольоровими димами, підсвітлювання лазером. Перші три різновидності використовуються, наприклад, на серійних танках. Їх недоліки очевидні: відсутня скритність, необхідна наявність прямої видимості, значне зменшення ефективності в умовах запиленості і т.п.
При координатному способі здійснюється визначення координат (хц, уц) цілі (в Сухопутних військах прийнята система координат SK-42 в проекції Гаусса-Крюгера). Командир цілевказуванняуючої машини здійснює вимірювання дальності Дц і кутів візування (віз) та піднесення цілі. За цими даними обчислюються координати хц, уц за співвідношеннями:
|
, |
(1.1) |
|
де |
- координати об’єкту, що дає цілевказування, ц - кут за годинниковою стрілкою між напрямом на північ і на ціль з об’єкту, що робить цілевказування. |
Координати цілі по командної радіолінії передаються на машину підлеглого, на якому, використовуючи координати хоп, уоп об’єкту, що приймає цілевказування, розраховуємо дальність Дцп від нього до цілі за співвідношенням
|
. |
(1.2) |
Кут цп між вертикальною лінією сітки топографічної карти та напряму на ціль з підлеглого танка розраховуємо за формулою
|
. |
(1.3) |
В загальному випадку на підлеглої машині приціл займає довільне положення відносно напрямку на ціль. Тоді кут довороту прицільного приладу на ціль розраховуємо за формулою
|
, |
(1.4) |
|
де |
Шб/к |
- кут повороту прицільного приладу відносно корпуса об’єкта, що приймає цілевказування, оп - його поточний дирекційний кут. |
Значення Дцп і вводяться в приводи управління і відбувається поворот гармати та прицільного пристрою у бік цілі.
Проаналізовано джерела похибок зовнішнього цілевказування. При відсутності похибок в визначенні величин хц, уц, , хоп, уоп оп, Шб/к, враховуючи швидкість об’єктів та цілі нульовими, при довороті на кут (див. співвідн. 1.4) ціль буде знаходитись на вертикальній лінії, що проходить через центральну марку прицілу, а розрахована бортовою ЕОМ дальність буде відповідати реальній (при =0), див. рис. 1. В дійсності же, при початковому орієнтуванні машин, а також в процесі їх руху зявляються похибки в визначенні координат та дирекційних кутів наземного рухомого об’єкта в підрозділі, які мають випадковий характер і накопичуються з часом. Це призводить до того, що інформаційний вектор, який видається керуючим об’єктом підлеглому, містить у собі похибки. У свою чергу на об’єкті, що приймає зовнішнє цілевказування, власні координати визначаються також з похибками. Суперпозиція цих похибок дає похибки в визначенні величин Дцп, цп на підлеглої машині. В силу сказаного, ціль, скоріше всього, буде знаходитись на периферії поля зору прицілу. Таким чином, виникає задача знаходження оптимальних розмірів кутового огляду, у якому буде знаходитися ціль, який би забезпечив найменший час пошуку цілі. На рис. 2. проілюстровано виникнення похибки у визначенні кута довороту на ціль і дальності до неї. Тут через позначена помилка у куті довороту за рахунок похибок при відпрацюванні прицільним приладом заданого напрямку, - похибка в визначенні цп, ц - істинний напрямок на ціль. Таким чином, похибка зовнішнього цілевказування обумовлена багатьма причинами, такими, як, похибки вимірювання дальності до цілі, помилки початкового орієнтування, поточного визначення місцеположення і дирекційних кутів машин, що приймають участь в рішенні задачі зовнішнього цілевказування, помилки вимірювання кутів візування, помилки визначення напряму гармати та прицільного приладу, помилки відробки кута на ціль прицільним приладом та інш.
Розроблено критерій по точності для задачі зовнішнього цілевказування. В дослідженнях, які проведені Вассендіним В.Н. в військової академії Бронетанкових військ (Росія) показано, що для цілей типу протитанкового керованого реактивного набою, час пошуку цілі не повинен перевищувати 1 с. В цьому випадку при пошуку через прилад з однократним збільшенням необхідно, щоб похибка цілевказування не перевищувала 3 млрад, а для приладу з збільшенням 2.7 –.8 млрад. При 12 збільшенні похибка цілевказування не повинна перевищувати 10-12 млрад.
Проаналізовано вимоги до характеристик навігаційної інформації, що висуває задача цілевказування. Високоманеврений характер бойових дій та різкі зміни обстановки вимагають від командирів всіх ланок (у тому числі батальйону і роти) неперервного, твердого, гнучкого та прихованого управління військами. Командир повинен постійно знати обстановку, швидко приймати рішення і своєчасно ставити задачі підлеглим. Однією з головних умов успішного управління військами як в процесі підготовки, так і під час бойових дій, є наявність повної та точної навігаційної інформації про тактичну обстановку. Вона повинна включати в себе відомості про місцеположення цілей, місцеположення та напрями руху підрозділів і окремих машин. В умовах ускладненого орієнтування на місцевості (відсутність орієнтирів, ніч, туман і та інш.) інформацію про місцеположення наземного рухомого об’єкту отримують за допомогою систем навігації, які встановлюють на кожній сучасній бойовій машині. Навігаційна інформація повинна бути неперервною і мати точність, яка забезпечує визначення напряму на ціль з підлеглої машини з точністю 10-12 млрад.
Проаналізовано напрямки робіт та відомих практичних досліджень по темі дисертації. Дослідники та розробники систем навігації наземних рухомих об’єктів завжди намагалися, знизити помилки визначення місцеположення, вдосконалюючи апаратуру, а з розвитком мікропроцесорної техніки, використовуючи і алгоритмічні засоби для забезпечення необхідної точності цілевказування. Крім того, великий інтерес дослідників привертають і самі методи та способи цілевказування, які дозволяють зменшити часові витрати та підвищити його точність. В даній області проводяться роботи багатьма вченими. В науково дослідному інституті “Сігнал” м. Ковров (Росія) працюють відомі фахівці Сдвіжков А.Н., Філіппов С.І., Юрін Ю.І. Вони зробили значний внесок в розробку та прийняття на озброєння армії колишнього СРСР декілька поколінь танкової навігаційної апаратури (ТНА) одометричного типу: ТНА-2 (“Сетка”) – вирішує першу навігаційну задачу, а саме визначає поточні координати машини та її дирекцій ний кут; ТНА-3 (“Квадрат”) –вирішує додатково другу навігаційну задачу, а саме визначає поточні дальність до пункту призначення та напрямок на нього; ТНА-4 –додатково до тих, що згадані, вирішує третю навігаційну задачу, а саме визначає координати цілі. Цім системам притаманні всі недоліки, що характерні для одометричних систем. В ролі датчика кутових переміщень тут використовується курсова система типу “Маяк-2”, для якого власний дрейф осі гіроскопа складає величину порядку 23 млрад/год. В ТНА-4 застосована система автопідстроювання, яка на стоянці компенсує власний дрейф осі гіроскопа, але при поновленні руху машини він знов починає накопичуватись, що приводить до зростання похибки визначення місцеположення об’єкта. Наступне покоління навігаційної апаратури, що створена там же –навігаційна система “Гамма”. Тут застосовано апаратуру користувача супутникових навігаційних систем та гіроскопічний датчик з поліпшеними характеристиками, однак ціна його дуже велика. Його застосування для оснащення наземної спеціальної техніки, призводить до того, що вона стає не конкурентно здатною на мирових ринках. Апаратура користувача супутникових навігаційних систем використовується в системі “Гамма” для корекції одометричноі апаратури методом заміщення, що не забезпечує неперервності навігаційної інформації. Це унеможливлює її застосовування в системі управління цілевказуванням підрозділу бронетанкової техніки. В військової академії Бронетанкових військ (Росія) ряд вчених, а саме: Чайка Г.С., проф. Літвіненко В.В., Філонов В.В. та інш. працюють над питаннями військово-наукового обґрунтування вимог до вогневих комплексів об’єктів Бронетанкової техніки та пошуком шляхів підвищення їх ефективності. Розробляються способи цілевказування та досліджуються шляхи підвищення їх точності, швидкодії та ефективності. Як результат, визначаються переліки задач, рішення яких повинна забезпечити перспективна апаратура, обґрунтовуються вимоги по точності їх вирішення. Професор Жильцов Є.І. працює над військово-тактичними питаннями взаємодії машин в підрозділі та підрозділів у складі більш крупних з’єднань. В його дослідженнях обґрунтована необхідність організації взаємодії спеціальних наземних машин в складі підрозділу, їх просторово-часової прив’язки з необхідною точністю. Для цього потрібен навігаційний комплекс, що забезпечує визначення неперервної навігаційної інформації достатньої точності. Але, проблема розробки навігаційного комплексу для забезпечення реалізації цих вимог для такого класу техніки не вирішена. В Казенному Підприємстві Харківське конструкторське бюро машинобудування, м. Харків над питаннями початкової прив’язки спеціальних наземних машин працює Сафронов П.К. Аналіз джерел похибок, яки при цьому виникають та їх кількісне порівняння не здійснюється. Відома розробка навігаційної системи для наземних спеціальних машин “G-1” німецької фірми “LITEF”, яка містить у собі одометр, волоконно-оптичну гіроскопічну систему, та апаратуру користувача супутникової навігаційної системи. ЇЇ точність визначення кутових величин та поточних координат машини не задовольняють вимогам задачі цілевказування і вона не в змозі витримувати жорстокі вимоги в умовах застосування спеціальної наземної техніки. В НТУУ “КПІ” на факультеті “Авіаційних та космічних систем” ведуться дослідження інтегрованих навігаційних систем для широкого кола рухомих об’єктів, зокрема і наземних. Досліджена інтегрована навігаційна система для наземного об’єкта, в якої застосовані грубі, але дешеві датчики, яка забезпечує при цьому достатньо високу точність. Однак, точність визначення навігаційних параметрів недостатня, щоб задовольнити вимоги задачі цілевказування. Крім того апаратура не в змозі забезпечити виконання жорстких вимог в умовах обмежень застосування спеціальної наземної техніки.
Згадані роботи, проводились та проводяться незалежно одна від одної, в інтересах різних аспектів застосування наземних рухомих об’єктів. В межах жодної з них не проводилось аналізу вимог до навігаційної апаратури, комплексної оцінки факторів, що визначають її тактико-технічні характеристики в інтересах організації системи управління цілевказуванням машинами підрозділу спеціальної наземної техніки.
Аналіз сучасного стану та світових тенденцій розвитку систем навігації для наземних рухомих об’єктів показав, що одометричні навігаційні системи займають серед них лідируюче положення. Продовжуються інтенсивні дослідження в галузі комплексних навігаційних систем.
З аналізу невирішених питань сформульовано мету та задачі дисертації.
В другому розділі розглядаються загальні принципи досліджень, що проводяться. Аналізуються тактико-технічні вимоги до характеристик навігаційної інформації та систем навігації наземних рухомих об’єктів при їх сучасному бойовому використанні. Навігаційна інформація, що надходить з одометричних систем навігації, має достатню миттєву точність, але містить похибку визначення місцеположення, що накопичується протягом часу. Тому одометричні системи навігації не можуть використовуватись як основні. Навігаційна інформація, що надходить з апаратури користувача супутникових радіонавігаційних систем не змінює своєї точності протягом часу спостережень, але вона дискретна, можливі втрати інформації через затінення, селекцію доступу тощо. Апаратура користувача супутникових радіонавігаційних систем також не може використовуватись як основна. Комплексування одометричної системи навігації і апаратури користувача супутникових радіонавігаційних систем на базі алгоритмів фільтрації дозволяє отримати оптимальні оцінки навігаційних параметрів, забезпечити безперервність, однакову точність протягом всього часу роботі системи навігації, надійність і достовірність навігаційної інформації.
Розроблено узагальнену математичну модель похибок зовнішнього цілевказування та запропоновано метод оцінки відносного вкладу в похибку зовнішнього цілевказування похибок визначення місцеположення машин, яки приймають участь в рішенні задачі, похибок вимірювання дальності до цілі, кутів візування та піднесення . Для розробки моделі похибки цілевказування координатним методом, яка обумовлена похибками визначення місцеположення наземного рухомого об’єкта, вимірювання дальності, кутів візування і піднесення цілі використана функція випадкових змінних q та залежність її математичного очікування мq та дисперсії як функції дисперсій цих змінних.
|
, , |
(2.1) |
|
де |
х, х, … ,хn,- випадкові величини, . |
При умові статистичної незалежності похибок в величинах {х, х, … ,хn} буде мати місце співвідношення
|
(2.2) |
При видачі зовнішнього цілевказування на підлеглий об’єкт надходить інформаційний вектор, що містить координати цілі хц, уц. Маючи власні координати хоп, уоп, бортова електронно-обчислювальна машина підлеглої машини за співвідношеннях (1.3) розраховує цп.
Величини хц, уц, хоп, уоп –містять похибки, що носять випадковий характер. Для нашого випадку дисперсія цп. визначається з залежності
При цьому передбачається, що величини хц, уц, хоп, уоп статистично незалежні. Справедливість цього витікає з того, що хоп, уоп визначаються на підлеглому обєкті, а хц, уц, –на командирському, причому кожен з них орієнтирований незалежно один від одного.
Отримані вирази для вагових коефіцієнтів, що входять до :
Для нерухомих об’єкта та цілі, отримаємо
Графіки залежності від Дц складових співвідношення (2.5) наведені на ріс. 3.
З аналізу графіків витікає висновок, що основний внесок в формування величини похибки визначення координат об’єкта, оскільки вони на порядок перевищують інші. Таким чином, похибки визначення місцеположення машин дають домінуючий вклад в помилку цілевказування. Тоді приймаючи r = max(Хтп, Утп), маємо:
|
(2.6) |
Останнє співвідношення дозволяє отримати обмеження на похибки системи навігації при заданих точністних вимогах зовнішнього цілевказування, та навпаки. Показано, що для забезпечення точності цілевказування в межах 10-12 млрад, необхідно щоб похибка визначення місцеположення наземного рухомого об’єкту не перевищувала 40-50 м.
Графік залежності (2.6) в осях (r, цп) наведений на рис. 4. Співвідношення (2.6) дозволяє визначити зони розташування цілей відносно машини командира, для яких забезпечується рівноточність визначення величини цп. Лінії, що обмежують зони рівноточності для одного з типових розташувань машин командира та підлеглих показані на рис. 5. Криві близькі до кола, що означає, що похибки координатного способу цілевказування не залежать від взаємного розташування машин командира та підлеглого.
При взаємному русі об’єкта та цілі достатньо розглянути випадок коли Vнро=0, . Вимірюємо з проміжком часу дальності та кути між напрямом на північ та ціль і кути піднесення цілі , з машини, що дає цілевказування. Нехай отримаємо {Д, Д, , , , } відповідно.
На машині, що приймає зовнішнє цілевказування на момент прийому tп, який відстоїть від моменту виміру tв величин Д, на = tп - tв, цп розраховується за співвідношенням
|
де |
ут, хт |
–координати командирської машини на момент tв; |
|
уоп, хоп |
–координати підлеглої машини на момент tп. |
Для після відповідних перетворень отримане значення
|
де позначено |
, . |
Зроблено оцінку додаткового члена в коефіцієнті перед :
Відзначимо той факт, що величина - має порядок 3 с, - 10-2 с, - 10-3 рад. навіть при швидкості цілі 20-30 м/с у напрямку, що є перпендикулярним лучу зору на неї. Приймаючи до уваги оцінку (2.9), можна стверджувати, що внесок додаткового члена в коефіцієнт перед величиною не позначиться на його поводженні. Таким чином, висновки, що зроблені для статичного випадку, будуть мати місце і для динамічного.
Зроблено висновок, що помилки визначення місцеположення наземного рухомого об’єкта є основним джерелом виникнення похибок при визначенні кута на ціль з підлеглої машини, що приймає участь в вирішенні задачі зовнішнього цілевказування. Для забезпечення вимог по точності зовнішнього цілевказування необхідно розробити систему навігації, яка визначає поточні координати наземного рухомого об’єкту з точністю 45-50 м.
Третій розділ присвячений розробці алгоритмів комплексованої обробки навігаційної інформації, що задовольняють вимогам по точності при вирішенні задач системи управління цілевказуванням та досліджені можливості зменшення похибок визначення місцеположення наземних рухомих об’єктів .
Показано, що комплексна обробка навігаційної інформації повинна проводитись у два етапи. На першому повинно бути проведено компенсацію систематичних складових, а на другому фільтрацію випадкових складових. Розглядається комплексна навігаційна система, в якої в якості складових використовуються одометрична система навігації та апаратура користувача СРНС. Для компенсації систематичної складової похибки визначення місцеположення за допомогою апаратури користувача СРНС застосовується диференційний або псевдо диференційний режими. Це дозволяє зняти значну частину систематичної складової похибки визначення місцеположення наземних рухомих об’єктів. Але випадкова складова залишається.
Для компенсації систематичної складової похибки визначення місцеположення за допомогою одометричної компоненти запропоновано декілька методів.
Запропоновано метод спільній обробці інформації, що надходить з курсової та шляхової підсистем автономної системи навігації. Компенсація певної частини систематичної складової реалізується за рахунок уточнення значення шляхової швидкості та часткового зняття накопичення помилки у дирекційному куті, що виникає із-за власного дрейфу ГКП. Для цього для двох послідовних значень часу tі та ti+ визначаються значення дирекційного кута і та і+ відповідно, і створюється величина = і+1 - і. Одночасно з датчиків швидкості, яки запропоновано встановлювати по обох бортах машини, визначається значення швидкостей лівого Vл та правого Vп бортів та створюється величина V = Vл - Vп.
Можуть виникнути наступні варіанти співвідношення знаків величин V і :
|
а) V 0, = 0; б) V 0, = 0; в) V = 0, 0; ж) V 0, 0. г) V 0, 0; д) V 0, 0; е) V 0, 0; |
(3.1) |
Варіант а). При V 0 швидкість лівого борта менша за Vп, що відповідає повороту наземного рухомого об’єкту ліворуч. Однак, з = 0 витікає, що наземний рухомий об’єкт рухається прямолінійно. Таким чином, правий борт проковзує, значить, значенням шляхової швидкості(Vпут) буде Vл.
Варіант б). Ситуація аналогічна п. а) з тою різницею, що має місце проковзування лівого борта. В цьому випадку значення Vпут = Vп .
Варіант в). При V = 0 маємо, що наземний рухомий об’єкт або покоїться, або рухається прямолінійно. Відхилення від 0 для є у даному випадку відхиленням ГКП.
Варіанти г), д).Співвідношення знаків V і по п.п. г) та д) реалізується, коли є рух наземного рухомого об’єкту праворуч, або ліворуч. При реалізації варіантів в), г), д)
|
(3.2) |
Реалізація варіантів е), ж) означає, що система є несправна.
Запропоновано для зменшення похибки визначення місцеположення за одометрічною навігаційною системою застосовувати датчик тангажу. При визначенні координат на сучасних наземних рухомих об’єктах використовуються формули:
|
(3.3) |
|
де |
t –поточний час, –змінна інтегрування, (), V() –поточні значення дирекційного кута та швидкості наземного рухомого об’єкту. |
Вони отримані для випадку, коли наземний рухомий об’єкт рухається на площині. В реальній ситуації, як правило, наземний рухомий об’єкт рухається по пересіченій місцевості. Тому хт, ут, що отримані за співвідношеннями (3.3), будуть відрізнятися від істинних. В навігації наземних рухомих об’єктів для врахування мікро- та макрорельєфу місцевості та зціплення рушія з ґрунтом використовується, так званий, коефіцієнт коректури шляху, значення якого є власні для кожного типу шляхового покриття та характеру рельєфу місцевості. Методика його визначення громіздка та потребує багато часу та моторесурсів.
Показано, що для зменшення похибок визначення місцеположення, яки виникають за рахунок пересіченості місцевості, необхідно використовувати співвідношення
|
(3.4) |
|
де |
() |
–поточне значення кута тангажа наземного рухомого об’єкту. |
Для оцінки впливу на похибку визначення місцеположення наземного рухомого об’єкту врахування кута тангажу промодельовано трасу руху функцією вигляду:
|
(3.5) |
|
де |
А –коефіцієнт, що характеризує опосередкований перепад місцевості за висотою; –коефіцієнт, що характеризує їх опосередковану частоту. |
Правомочність такої моделі витікає із характеристик пересіченої місцевості, що наведені у топографічних джерелах.
Математичне моделювання показало, що для слабо, середньо та сильно пересіченої місцевості відносна похибка визначення місцеположення без врахування кута тангажу складає відповідно 0.27 %, 7.05 % і 25,77 %. Виходячи з припущення, що слабо, середньо та сильно пересічена місцевість складає відповідно 80 %, 15 % та 5 %, то середня відносна похибка при використанні формули (3.3) складає 2.57 %.
Запропоновано адаптивний алгоритм компенсації дрейфу гіроскопічного датчика ОНС. Одометричні системи навігації характеризуються великою миттєвою точністю і тим, що з часом накопичуються систематичні помилки, які виникають за рахунок постійного дрейфу гіроскопа. Їх похибки є сумою складових, одна з яких змінюється повільно, а друга є випадковою. Складова, що змінюється повільно, обумовлена систематичним дрейфом гіроскопа. Для її врахування використані наступні співвідношення для обчислення прогнозу похибки по координатним осям ход, уод.:
|
(3.6) |
|
|
(3.7) |
де (t)– поточний дирекційний кут наземного рухомого об’єкту, V(t) –поточне значення швидкості НРО, ti –початок часового інтервалу, для якого визначено значення і, поч –помилка початкової виставки, або та, що накопичена к моменту ti, хпоч, упоч –помилка початкової виставки за координатами х, у, і –кутова швидкість відхилення гіроскопа на момент ti, t –поточний час між двома моментами визначення значень кутової швидкості відхилення, –час між двома перерахунками .
В якості координат наземного рухомого об’єкту, що визначаються одометричною системою навігації (), беремо значення:
|
(3.8) |
Швидкість дрейфу гіроскопа залежить від часу і є нелінійною функцією. При достатньо точному табличному завданні {і} можливо отримати близького збігання оцінок координат з істинним їх значенням. На практиці, як правило, не вдається мати достатньо точного набору {і}, оскільки він є індивідуальний для кожного гіроскопа, а його отримання –процес трудомісткий, якій вимагає спеціального обладнання. Крім того, в процесі експлуатації гіроскопа {і} можуть змінюватись. Слід зауважити, що розрахунок вимагає зупинки машини на 5 - 7 хвилин, що робить часті перерахунки недоцільними. Врахування складової похибки одометричної системи навігації, що повільно змінюється, дозволяє підвищити їх точність на порядок, але не дозволяє зняти випадкову складову.
Показано, що досягнення точностей визначення місцеположення, що забезпечують точності зовнішнього цілевказування, які вимагаються, є проблематичним при використанні тільки автономних систем навігації. Паспортні дані на датчики одометричних систем навігації з врахуванням похибок, що неминучі при цифровій обробці, не дозволяють надіятись на досягнення точності, яка вимагається. Резерв в підвищенні точності приладової навігації на сучасному етапі вичерпаний достатньо повно і скільки-небудь значні успіхи у цьому плані зв’язані з дуже великими матеріальними та часовими витратами. Це не дозволяє розглядати потенційне підвищення точності приладової навігації як вихід з положення, що склалося. Не вирішує проблеми й використання тільки СРНС: навігаційна інформація, що надходить з них –дискретна, селективний доступ може взагалі привести до втрати можливості навігаційних визначень. Використання комплексування датчиків навігаційної інформації і обробка надлишкової інформації, мета якої є підвищення точності навігаційних визначень до рівня, що висувається зовнішнього цілевказування, є в даних умовах єдиним рішенням. Однак, до цього часу проблема синтезу такої комплексної системи для наземних рухомих об’єктів не вирішена. Вимоги підвищення живучості систем навігації так же само можуть бути досягнуті тільки при комплексуванні різних датчиків навігаційної інформації. Комплексувати системи навігації зручніше всього, як що вони побудовані на різних фізичних принципах. В цьому випадку їх похибки рознесені по вісси частот.
У якості автономних систем навігації на сучасних бойових машинах використовуються ТНА-3, ТНА-4, у складі яких містяться гірокомпас, гірокурсовказівник (ГКВ), датчики швидкості та інш. У якості іншого джерела навігаційної інформації будемо розглядати апаратуру користувача СРНС. Його будемо використовувати як точний навігаційний засіб, по якому буде проводитись корекція. Значення навігаційних параметрів, що надходять з апаратури користувача СРНС та автономної системи навігації, у котрих знята систематична складова похибки, є виміри одної і тої ж величини, що отримана з різних пристроїв і містять випадкову складову похибки.
Розглянуто фільтр Калмана для отримання оцінок навігаційних параметрів для даного алгоритму. Комплексування автономних систем навігації та СРНС на базі фільтра Калмана доцільне з наступних міркувань: припущення про нормальний розподіл випадкових величин при реалізації алгоритмів Калмановської фільтрації достатньо близьке до реальності, математичні процедури, що реалізують алгоритми обробки, достатньо добре відомі, алгоритми Калмановської фільтрації дозволяють з порівняно невеликими втратами здійснювати режими врахування зникнення сигналів з апаратури користувача СРНС або отримання хибних спостережень, резервування датчиків з метою підвищення живучості системи розглядається як варіант зникнення сигналів з одного з них. Для складання рівнянь, що описують динаміку системи, зроблено припущення, що швидкість та дирекційний кут є відомими, скільки завгодно раз диференційованими функціями.
В якості датчика розглядається ГКУ, а V(t) –датчик шляху-швикості. Рівняння будемо записувати в системі координат SK - 42, (проекція Гаусса-Крюгера), що прийнята у Сухопутних військах.
Розкладемо x.(t) в околі t точки t будемо мати
|
(3.9) |
З врахуванням (3.16) та (3.3) будемо мати
Знехтуємо величинами, порядок малості яких о(t), отримаємо:
де wгм–дрейф гіроскопа, що повільно змінюється, wгв–дрейф гіроскопа випадковий; Тv i Tw–часи кореляції похибок швидкості та випадкових похибок гіроскопа, v, w –дисперсія білого шуму, що характеризують випадкову складову в визначенні V, wгв відповідно, e, e –білі шуми одиничної інтенсивності, f(x) –функція, що отримана на підґрунті аналізу статистики про поведінку ГКП.
В векторно-маричному вигляді система (3.17) буде мати вигляд
|
(3.11) |
Тут під будемо розуміти шестимірний фазовий вектор: {x(t), y(t) V(t), (t), wгм(t), wгв(t)}.
F(t) –матриця (66), що описує динаміку системи, Г(t) –матриця (66), що складається з вагових функцій, які характеризують вклад зовнішніх впливів в рішення системи.
Вектор –вектор зовнішніх впливів(паразитні шуми, управляючі впливи тощо):
|
(3.12) |
Систему (3.11) розглядаємо як модель повідомлення.
Рівняння моделі спостереження випишемо у припущенні, що сигнал спостереження лінійно залежить від входу системи:
|
(3.13) |
|
де |
H(t) –матриця (26),що характеризує обмеження на спостереження сигналу; V(t) –білий шум спостереження з нульовим середнім і , отримана з аналізу статистики. |
Апроксимуємо (3.11) кінцево-різницевим рівнянням, з метою побудови дискретного алгоритму визначення оцінок похибок динамічної системи. Отримаємо:
|
(3.14) |
|
t –дискрет часу(обсервації), а, а –коефіцієнти, що регулюють від схеми(а = 0, а = 1 –явна, = 1, а = 0 –неявна, а при = 0.5, а = 0.5 –змішана). |
Різницеву модель спостереження візьмемо у вигляді
|
(3.15) |
Теорія алгоритмів Калмановської фільтрації достатньо добре розроблена. В роботі розглянуто один з відомих варіантів, блок - схема якого наведена на рис. 6.
В режимі зникнення сигналу з СРНС використовуємо завбачення, приймаючи останнє значення координат, що надійшло з СРНС, як достовірне.
Показано, що комплексна обробка навігаційної інформації на базі фільтра Калмана вимагає затрат процесорного часу на здійснення розрахунків величину порядку 900 мс при потужності 10 коротких операцій в секунду, що практично призводить к варіанту дискретності навігаційної інформації.
З метою зменшення затрат процесорного часу зі збереженням точності, запропоновано спосіб розкладання фазового вектора динамічної системи по власним векторам перехідної матриці.
Розглянемо випадок, коли перехідна матриця Фк динамічної системи для всього проміжку має "р" окремих власних значень, а, як наслідок, "р" різних власних векторів, які, як відомо, є лінійно незалежні. Використаємо їх як базис векторного простору розмірності "р" і розкладемо по них фазовий вектор динамічної системи. Тоді замість перемноження матриці коефіцієнта підсилювання на фазовий вектор, будемо мати перемноження вектора на скаляр. Зменшення обчислювальних затрат по всьому алгоритму складає 8 %. Це не зняло проблеми великих затрат процесорного часу, тому було прийнято рішення застосовувати алгоритм на базі метода максимальної правдоподібності.
Запропоновано як альтернативу алгоритм сумісної обробки навігаційної інформації, яка надходить з цих систем на базі методу максимальної правдоподібності. Побудуємо алгоритм оцінки виміру координат наземного рухомого об’єкту в припущенні, що величини, які виміряні, містять випадкову складову похибки, а систематична складова максимально знята. Аналіз фізичної суті роботи вимірювачів навігаційної інформації дозволяє припустити, що їх похибки розподілені за нормальнім законом з нульовим початковим моментом першого порядку та з центральними моментами другого порядку Ход, Уод, Хр, Ур відповідно. Ймовірність попадання виміряного значення даної координати до елементарного інтервалу dx в околі "х" є
|
(3.16) |
Ймовірність того, що оцінки координат будуть співпадати з вимірами, визначається співвідношеннями
Ймовірність того, що оцінка координати близька до величини, що виміряна, характеризується взаємною ймовірністю. Джерела навігаційної інформації мають різну фізичну природу, тобто їх помилки статистично не залежні, тому можна записати
Показано, що найкращими оцінками будуть:
,
|
(3.19) |
Найдені співвідношення (3.14) дозволяють знайти оцінку максимальної правдоподібності, яку отримано за спостереженнями від двох джерел навігаційної інформації, випадкова складова похибки яких згладжена. Математичне моделювання показало, що алгоритм досить добре фільтрує випадкові складові похибок, забезпечує визначення неперервної навігаційної інформації. Проміжок процесорного часу, що потрібен на обчислення, складає величину порядку 50мс при потужності процесора в 10 коротких операцій в секунду.
Запропоновано розповсюдження даного алгоритму на випадок M джерел навігаційної інформації. Нехай хі ( і - 1, 2, …, M) - значення координати х, яке надходить з і-го джерела навігаційної інформації, а Хі (і - 1, 2, …, M) їх відповідні дисперсії. Тоді після відповідних перетворень одержимо
Четвертий розділ присвячений дослідженням способів вдосконалення навігаційного комплексу системи управління цілевказуванням.
Досліджено тактико-технічні вимоги до датчикової апаратури навігаційного комплексу системи цілевказування та її склад. Датчикова апаратура навігаційного комплексу системи управління цілевказуванням повинна виробляти інформацію, що необхідна для вирішення задач, які докладно розглядалися у першому розділі. Показано, що навігаційний комплекс наземного рухомого об’єкту повинен складатися з апаратури користувача радіонавігаційних систем та автономної системи навігації. Він є основною складовою частиною системи управління цілевказуванням підрозділу бойових машин. Він повинен бути уніфікованим, для того щоб зменшити матеріальні витрати на його розробку та виробництво. В склад автономної системи навігації повинні входити датчики, які здійснюють: початкову топопривязку обєкта-користувача уніфікованого навігаційного комплексу або інструментальне місцезнаходження обєктів на місцевості (автоматичний гірокомпас), лазерний тахеометр), визначення інформації про поточні значення дирекційного кута, а також кутів крену та тангажу наземного рухомого об’єкту, визначення швидкості наземного рухомого об’єкту або приросту шляху, що ним пройдено. В теперішній час розробники навігаційної апаратури відходять від створення окремих гірокомпасів та гірокреновказівників. Останнім часом намітилася тенденція поєднання гірокомпасів і гірокурсовказівників в одному приладі. В склад уніфікованого навігаційного комплексу повинен входити дворежимний прилад, який здійснює визначення початкового значення астрономічного азимуту обєкту користувача , а в русі визначати значення поточного дирекційного кута.
В даний час в Україні немає ні у серійному виробництві, ні у завершених серійних зразках автономного гірокомпасу, який придатний для використання у якості стандартного елементу уніфікованого навігаційного комплексу. Однак, в державі є усі передумові для розробки та подальшого виробництва приладів такого типу. Роботи академіка В.М. Кошлякова, проф. М.І. Захаріна, А.С. Довгополого, Б.Б. Самотокіна, М.А. Павловського, Г.Ф Бублика, О.В. Збруцького дають теоретичні основи створення чутливих елементів й систем на їх основі. Конструкторські та виробничі можливості ЦКБ "Арсенал", ЦКБ заводу ім. Петровського мають усі умови для розробки та подальшого виробництва двохрежимного автоматичного гірокомпаса, який буде мати необхідні точностні характеристики, витримувати умови експлуатації на обєктах бронетанкової техніки, забезпечувати автоматичній ввід інформації в обчислювальне середовище уніфікованого навігаційного комплексу.
Як показали дослідження, що проведені в ЦКБ "Арсенал" в рамках НДР "Лето", створення трьох режимного навігаційного приладу, який містив би в собі функції гірокомпаса, гірокурсовказівника та гіровертикалі є більш перспективним. Він забезпечить три режими роботи: визначення початкового астрономічного азимуту повздовжньої осі обєкта - носія уніфікованого навігаційного комплексу (режим компасування), визначення курсу, крену і тангажу наземного рухомого об’єкту (режим зберігання), гірокомпасування при рівномірному русі на квазі-прямолінійних дистанціях шляху (режим корекції). Інформаційний вихід автоматичного гірокомпасу повинен бути цифровим.
Лазерний тахеометр є необхідним приладом для початкового та контрольного орієнтування наземного рухомого об’єкту. В Сухопутних військах використовуються лазерні тахеометри, які мають обєми 30 – л і забезпечують визначення дальності з СКП 10 м, кутів з СКП 2-3 кутових хвилини. Головку лазерного тахеометра можна сумістити з датчиками кута, що складає лінія візування з дирекційною віссю обєкта користувача. Це дозволить визначати кути візування та піднесення обєктів, по яким виконуються виміри. Інформаційний вихід лазерного тахеометра повинен бути цифровим і містити в кадрі інформації коди дальності, кутів візування та піднесення на момент виміру. Лазерний тахеометр повинен забезпечувати можливість послідовних вимірив не пізніше 1-2 с.
Проаналізовано тип и склад датчиків шляху-швидкості. Датчики шляху-швидкості є носіями інформації про просторові переміщення обєкту. На борту наземного рухомого об’єкту необхідно одночасно мати датчики шляху-швидкості двох типів –механічні, вони є більш точними при малих швидкостях, і допплерівські, які є точними при великих, і втрачають точність при малих швидкостях. Показано, що перевагу в механічних датчиках слід віддати таким, що базуються на вимірах кута повороту (редуктосин) і на диференціальному трансформаторі. Вихід датчика шляху-швидкості повинен бути цифровим.
Рекомендовано модульний принцип як основу побудови уніфікованого навігаційного комплексу та системи цілевказування. Модулі повинні бути стандартизовані за функціями і за конструкцією на всіх рівнях ієрархії. Мається на увазі, що модулі більш високих рівнів ієрархії складаються з модулів більш низьких рівнів. Це дозволить значно скоротити строки розробки уніфікованого навігаційного комплексу та системи цілевказування, вартість проектування та виготовлення виробів обєм запасних частин і приладів та контрольно-вимірювальної апаратури, кількість персоналу, що обслуговує. Значно скоротиться модернізація уніфікованого навігаційного комплексу та системи цілевказування та нарощування їх можливостей.
Проаналізовано та обрано тип інтерфейсу, який рекомендовано для застосування в уніфікованому навігаційному комплексі та системи цілевказування. Створення модульної структури в значній мірі залежить від вибору інтерфейсів, що призначені для обєднання цих модулів в єдину системну конфігурацію на всіх рівнях розукрупнення. Таких інтерфейсів в уніфікованого навігаційного комплексу та системи цілевказування може бути декілька: внутрішньо-блочний, міжблочний та міжсистемний.
Доцільність єдиного для уніфікованого навігаційного комплексу та системи цілевказування у цілому внутрішньо-блочного інтерфейсу є в наступних перевагах: єдині схемотехнічні та конструкторські вирішення інформаційних звязків, єдині підходи до організації автоматизованого контролю функціональних вузлів та комірок, автоматичне тестування та виявлення похибок монтажу та різних видів несправностей.
В якості міжблочного інтерфейсу може бути використаній RS -232. Його неоспорена перевага у тому, що він є вбудованим для ІВМ РС, які скрізь використовуються при відлагодженні та настроюванні апаратури. По завадозахищеності, надійності при експлуатації в бойових умовах він уступає магістральному послідовному інтерфейсу ГОСТ 26765.52 - 87. Він є найбільш швидкодіючим, стандартизованим каналом. Надійний захист від завад в каналі забезпечується використанням біполярного фазово модульованого коду. Вказаний інтерфейс найбільш повно враховує вимоги модульного принципу. На одну магістральну шину можна підключити до 32 абонентів, а велика довжина лінії передачі інформації (до 100 м) дозволяє оптимально рознести блоки уніфікованого навігаційного комплексу та системи управління цілевказуванням на наземного рухомого об’єкту в найбільш зручних місцях. Вказаний інтерфейс з успіхом може бути використаний і в якості між системного.
Визначено мінімально-достатній склад уніфікованого навігаційного комплексу та системи цілевказування. При прийнятої концепції побудови структурної схеми уніфікованого навігаційного комплексу в його склад входять: автоматичний гірокомпас, лазерний тахеометр, гірокурсовказівник, механічний датчик швидкості(правий та лівий), доплеровський датчик швидкості(правий та лівий), апаратура користувача СРНС, блок обчислювача, пристрій спряження, пульт з органами управління та відображення інформації, блок вторинного джерела живлення. Показано, що датчики, які входять в уніфікований навігаційний комплекс та систему цілевказування повинні розроблятися інтелектуальними з стандартизованим виходом на між блочний інтерфейс.
Запропоновано, виходячи з обраної структури апаратних засобів та досвіду розробки наступну ієрархічну структуру програмного забезпечення: операційна система, технологічні програмні засоби, тестове програмне забезпечення, функціональне програмне забезпечення. Операційна система усієї системи декомпозується на дві компоненти –розподілену операційну систему та локальну. Розподілена забезпечує сумісну роботу програмного забезпечення всіх блоків системи. Локальна забезпечує управління ресурсами БЕОМ та вирішенням задач в режимі реального часу. Технологічне програмне забезпечення полегшує створення та відлагодження програмного забезпечення. В якості інструментальної ЕОМ може бути використана ІВМ РС. Найкращим язиком програмування для розробки програмного забезпечення є МАКРО АССЕМБЛЕР, тому що він дає найбільш щільний та швидкий код. Для програм, виконання яких не критично у часі можуть бути використані язики високого рівня. Тестове програмного забезпечення здійснює перевірку працездатності системи та робить діагностику несправностей з точністю до модуля. До функціонального програмного забезпечення відносяться програми, які дозволяють рішати функціональні задачі, що забезпечують цільову функцію системи.
Пятий розділ містить експериментальні дослідження, які дозволили проаналізувати властивості уніфікованого навігаційного комплексу й системи цілевказування та їх компонентів і наведені технічні пропозиції по їх реалізації.
Підтверджено полігонним експериментом теоретичні результати дисертації про основний вклад похибок визначення місцеположення об’єкту в формування похибки зовнішнього цілевказування.
Математичним моделюванням підтверджено, що врахування проковзування гусениць при визначенні шляхової швидкості центра мас танка та використання її горизонтальної проекції при розрахунку координат дозволяє зменшити на середньо-пересіченої місцевості до 3.8 %
Комплексна обробка інформації, що надходить з курсової та шляхової систем, яка містить правий та лівий датчики швидкості, дозволяє зменшити вплив власного дрейфу осі гірокурсовказівника на точність визначення місцеположення.
Компенсація частини складової помилки СРНС в псевдодиференційному режимі дозволяє досягнути точності визначення місцеположення 35-40 м.
Наявність двох потоків навігаційної інформації від СРНС та автономної навігаційної системи, систематична складова похибок яких максимально знята, дозволила побудувати комплексну навігаційну систему.
Комплексна система навігації, яка побудована на базі фільтра Калмана дозволяє досягнути точності визначення місцеположення 20-30 м.
При цьому затрати памяті –К двубайтних слів і часу процесора потужністю 10операцій типу регістр-регістр в секунду тільки на навігаційну задачу 900 мс.
Комплексна система навігації, яка побудована на базі метода максимальної правдоподібності(може складатися з будь-якої кількості джерел вхідної інформації) забезпечує похибки не гірше 25-35 м при вимогах по обєму памяті та часу процесора на порядок меншими. Прийнято рішення щодо застосування комплексної системи навігації, яка побудована на базі метода максимальної правдоподібності в уніфікованому навігаційному комплексі.
Підтверджений теоретичний висновок про те, що похибки визначення місцеположення домінуючим чином впливають на точність зовнішнього цілевказування координатним способом в танковому підрозділі.
Підтверджено, що апаратура користувача СРНС забезпечує високу точність визначення місцеположення, але вимагає для цього доброї оглядовості сузір’їв навігаційних супутників, що не завжди можливо в бойових умовах.
Експерименти по визначенню часових витрат на вирішення задач системою управління цілевказуванням підтверджують технічну можливість та оперативність їх вирішення.
Запропонована система навігації підвищеної точності (Рис. 7.), яка складається з гірокомпасу (ГК), гірокурсовказівника (ГКВ), тактового генератору (ТГ), двох датчиків швидкості механічних правого і лівого, двох датчиків швидкості доплерівських правого і лівого (ДДСп,л), двох перетворювачів фаза-код (ПФк), двох перетворювачів частота-код (ПЧк), датчика тангажу (ДТГ) та обчислювача. В системі реалізована комплексна обробка інформації, що надходить з кутової та шляхової систем, здійснюється врахування власного дрейфу гірокурсопоказчика та горизонтального прокладання шляху.
Запропонований уніфікований навігаційний комплекс (Рис. 8.), якій складається з системи навігації підвищеної точності, апаратури користувача (АК) СРНС, лазерного тахеометра (ЛТХ), обчислювача, органів управління, системи відображення інформації, обчислювача, у якому на базі метода максимальної правдоподібності здійснюється комплексована обробка навігаційної інформації, що надходить з системи навігації підвищеної точності та апаратури користувача СРНС. Уніфікований навігаційний комплекс дає можливість отримувати неперервну навігаційну інформацію з точністю, яка задовольняє вимогам задачі зовнішнього цілевказування.
Запропонована система управління цілевказуванням (Рис. 9.), яка складається з уніфікованого навігаційного комплексу, пульта управління, комутатора, радіостанції, обчислювача, в якому здійснюється обчислення усіх задач, системи візуалізації. Системи управління цілевказуванням дозволить вирішувати задачі управління цілевказуванням підрозділу танків з використанням цифрової карти з оперативною обстановкою на фоні топографічної основи з залученням геоінформаційних технологій.
ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ
Проведені в роботі дослідження дозволяють зробити наступні висновки:
Способи цілевказування, що у Сухопутних військах в теперішній час, не забезпечують необхідної точності та швидкості його здійснення.
Координатний спосіб цілевказування дозволяє забезпечити необхідну точність
(10-12 млоад) і часовий інтервал його виконання (інтервал часу до пошуку цілі 1 с).
Основними складовими похибки цілевказування є похибки визначення місцеположення наземних рухомих об’єктів, що приймають участь в рішенні задачі.
Наземна навігаційна апаратура, що існує, забезпечує необхідну точність цілевказування протягом 10-12 хвилин після початку роботи за умовами ретельної початкової підготовки.
Метод контрольного орієнтування в псевдо диференціальному режимі використання апаратури користувача супутникових радіонавігаційних систем дозволяє досягнути точності
-15 м. Але навігаційна інформація є дискретною і в зонах затінення може мати місце втрата навігаційних визначень, або значне зниження точності.
Комплексована обробка навігаційної інформації з використанням методу максимальної правдоподібності, при умовах зняття систематичної складової похибки у вхідних інформаційних потоках, забезпечує точність визначення місцеположення наземних рухомих об’єктів в межах 25-35 м та потребує 0.2 К слів памяті і 100 мс процесорного часу при продуктивності процесора 10 коротких операцій в секунду протягом 5 годин руху наземного рухомого об’єкту. При цьому навігаційна інформація є неперервною.
Аналіз результатів експериментів показав задовільну роботу навігаційного алгоритму, що здійснює комплексовану обробку навігаційної інформації, що надходить від апаратури користувача радіонавігаційних систем та одометричної навігаційної системи, на базі методу максимальної правдоподібності.
Запропонований та реалізований наступний склад системи підвищеної точності для наземного рухомого обєкту в складі: гірокомпас, комутатор, гірокурсовказівник, тактовий генератор, два механічних датчика шляху-швидкості, два доплерівських датчика шляху-швидкості, два перетворювача частота-код, датчик нахилу, два перетворювача фаза-код, арифметичний пристрій та обчислювач.
Показана достатність структури уніфікованого навігаційного комплексу для забезпечення гарантованої точності для наземних рухомих обєктов з похибкою в межах
-35 м в наступному складі: апаратур користувача радіонавігаційних систем, навігаційна системи підвищеної точності, пристрій спряження та обчислювач. Для обчислення координат доцільно використовувати алгоритм комплексованої обробки навігаційної інформації на базі методу максимальної правдоподібності.
Система управління цілевказуванням підрозділу наземних бойових машин на базі навігаційної інформації, що забезпечує точності зовнішнього цілевказування не гірше
-12 млрад, гарантовано реалізується наступними підсистемами: лазерний тахеометр (віддалемір та вимірювач кутів візування та піднесення цілі), уніфікований навігаційний комплекс, комутатор, радіостанція, обчислювач, пристрій спряження
Запропонована система з відображенням бойової обстановки на фоні топографічної (електронної) карти з використанням геоінформаційних технологій може бути основою створення автоматизованої системи управління бойовими машинами підрозділів тактичної ланки.
Результати роботи реалізовані Львівським науково-дослідним радіотехнічним інститутом, Конструкторським Бюро "Південне" та Харківським конструкторським бюро машинобудування ім. О.О. Морозова в розробках апаратури спеціального призначення, що підтверджується відповідними актами.
Основні положення та наукові результати дисертації опубліковані в наступних роботах:
Корольов Володимир Миколайович. Розробка та підвищення точності навігаційних комплексів системи зовнішнього цілевказування наземних рухомих об’єктів. Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.11.03 - Гіроскопи і навігаційні системи. - Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут", Львівський науково-дослідний радіотехнічний інститут, Київ, 2006.
Дисертація присвячена розробці структури навігаційного комплексу для об’єктів, який би дозволив вирішувати задачі управління зовнішнім цілевказуванням підрозділу. Задача зовнішнього цілевказування є самої жорсткою по вимогах до точності навігаційної інформації.
Досвід сучасних локальних конфліктів переконує в тім, що одиночний танк - легко уразлива ціль. Існуючі способи зовнішнього цілевказування не дозволяють забезпечити організацію вогню по одній цілі декількох танків у прийнятний час і з необхідною точністю. Координатний спосіб цілевказування, заснований на наявності інформації про координати цілі і танки, що приймають участь в рішенні задачі цілевказування, дозволяє вирішити цю задачу. Вимоги по точності визначення напрямку на ціль з підлеглого танка - 10 – п.к. Похибка визначення цього кута залежить від багатьох складових, але переважає серед них похибка визначення місцеположення машин, що приймають участь у рішенні задачі. Знайдено вираз, що дає аналітичну залежність похибки визначення кута на ціль, як функції похибки визначення місцеположення танка. Показано, що для забезпечення необхідної точності цілевказування необхідна точність визначення місцеположення в межах 25-40 м.
Управління військами повинне бути твердим, гнучким, безупинним та схованим. Для забезпечення цих вимог необхідна точна і безупинна навігаційна інформація. Автономні системи навігації володіють великою миттєвою точністю, що забезпечує безперервність, але нагромадження систематичної складової власного відходу гіроскопа не дозволяє розглядати їх як основні. Не знімає питання і використання апаратури користувача радіонавігаційних систем. Навігаційна інформація, що надходить з радіонавігаційних систем по суті своєї дискретна. Крім того можливості затінень, поганого геометричного фактора, селективності доступу можуть привести до огрубіння навігаційної інформації, а те і просто до її відсутності. Комплексування автономних і радіотехнічних систем вирішує поставлену задачу. Оскільки фільтрація знімає тільки випадкову складову, пропонується ряд заходів для компенсації систематичної складової в інформаційних потоках, що надходять з автономної і радіонавігаційної систем. Розроблено алгоритм комплексування автономних і радіотехнічних систем на базі методу максимальної правдоподібності, проведений порівняльний аналіз з фільтрацією по Калману. Перший володіє поруч переваг: простий у реалізації, вимагає малого процесорного часу і розмірів пам'яті, у силу чого йому віддана перевага. Результати математичного, напівнатурного моделювання, а також натурні іспити апаратури підтвердили правильність теоретичних висновків і прийнятих науково-технічних рішень.
Пророблено ідеологію структури програмного й апаратного компонентів системи. Запропоновано структуру системи навігації підвищеної точності для наземних рухомих об'єктів, уніфікованого наземного навігаційного комплексу, системи управління зовнішнім цілевказуванням підрозділу об'єктів бронетанкової техніки із використанням навігаційної інформації.
Результати дисертації можуть бути використані при розробці артилерійських і зенітно-ракетних комплексів, об'єктів Бронетанкової техніки, розвідувальних машин.
Ключові слова: наземний навігаційний комплекс, зовнішнє цілевказування.
Королев Владимир Николаевич. Разработка и повышение точности навигационных комплексов системы внешнего целеуказания наземных подвижных объектов. Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.11.03 - Гироскопы и навигационные системы. - Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт", Львовский научно-исследовательский радиотехнический институт, Киев, 2006.
Диссертация посвящена разработке структуры навигационного комплекса для объектов Бронетанковой техники, который бы позволил решать задачи управления внешним целеуказанием подразделения. Задача внешнего целеуказания является самой жесткой по требованиям к точности навигационной информации.
Опыт современных локальных конфликтов убеждает в том, что одиночный танк - легко уязвимая цель. Существующие способы внешнего целеуказания не позволяют обеспечить организацию огня по одной цели нескольких танков в приемлемое время и с необходимой точностью. Координатный способ целеуказания, основанный на наличии информации о координатах цели, дающего и принимающего целеуказание танков, позволяет решить эту задачу. Требования по точности определения направления на цель из подчиненного танка - 10 – д.у. Ошибка его определения зависит от многих составляющих, но преобладает среди них погрешность определения местоположения машин, принимающих участие в решении задачи. Найдено выражение, дающее аналитическую зависимость погрешности определения угла на цель как функции погрешности определения местоположения танка. Показано, что для обеспечения требуемой точности целеуказания необходима точность определения местоположения в пределах 25-40 м.
Управление войсками должно быть твердым, гибким, непрерывным и скрытным. Для обеспечения этих требований необходима точная и непрерывная навигационная информация. Автономные системы навигации обладают большой мгновенной точностью, что обеспечивает непрерывность, но накопление систематической составляющей собственного ухода гироскопа не позволяет рассматривать ее как основную. Не снимает вопроса и использование аппаратуры пользователя радионавигационных систем. Навигационная информация, поступающая с радионавигационных систем по сути своей дискретна. Кроме того возможности затенений, плохого геометрического фактора, селективности доступа могут привести к огрублению навигационной информации, а то и просто к ее отсутствию. Комплексирование автономных и радиотехнических систем решает поставленную задачу. Поскольку фильтрация снимает только случайную составляющую, предлагается ряд мер для компенсации систематической составляющей в информационных потоках, поступающих с автономной и радионавигационных систем. Разработан алгоритм комплексирования автономных и радиотехнических систем на базе метода максимального правдоподобия, проведен сравнительный анализ с фильтрацией по Калману. Первый обладает рядом преимуществ: прост в реализации, требует малого процессорного времени и размеров памяти, в силу чего ему отдано предпочтение. Результаты математического, полу натурного моделирования, а также натурные испытания аппаратуры подтвердили правильность теоретических выводов и принятых научно-технических решений.
Проработана идеология структуры программной и аппаратной компонент системы. Предложена структура системы навигации повышенной точности для наземных подвижных объектов, унифицированного наземного навигационного комплекса, системы внешнего целеуказания наземных подвижных объектов с использованием навигационной информации.
Результаты диссертации могут быть использованы при разработке артиллерийских и зенитно-ракетных комплексов, объектов Бронетанковой техники, разведывательных машин.
Ключевые слова: наземный навигационный комплекс, внешнее целеуказание
SUMMARY
Korolew W.N. Desingning and encreasing of accuracy of navigational complex of control sustem of fire and manoeuvre tank subdevision.
The Thesis for obtaining engineering degree of science doctor in speciality 05.11.03 - gyroscopes and navigation systems, NTUU "KPI", Kyiv, 2006.
There is designed structure of navigation system with encreased accuracy. There is designed the operation algorithm of navigation complex using method of maximal likelihood, it allows to ensure getting.
There is designed structure of land navigation complex continueous navigation data,what ensure resolving thetask of target pointing.
The carried out semi natural simulations and experimental researchs of the sestem, proved thejretical results.
Key words: land navigational komplex, control system of fire and manoeure of tank subdivision, external target pointing.