ЛЕКЦИЯ. НАВИГАЦИЯ ПО РЕЛЬЕФУ МЕСТНОСТИ

ВВЕДЕНИЕ

В данном курсе будут рассмотрены основные принципы навигации по рельефу местности. Системы реализующие такой принцип навигации – корреляционно-экстремальные навигационные системы (КЭНС).

Основой работы КЭНС является сравнение изображения совокупности ориентиров (текущего изображения) с эталонным изображением, полученным ранее. Разница в положении этих изображений в принятой системе координат позволяет формировать команды для удержания объекта управления на заданной траектории.

Также, в рамках данного курса, будут приведены основные типы КЭНС и даны краткие описания их работы. Будет поставлена задача анализа точности работы КЭНС, предложена и подробно изложена методика оценки точностных характеристик КЭНС.

Целью данного курса является:

- ознакомление с основными типами КЭНС по рельефу местности;

- рассмотрение основных характеристик КЭНС;

- исследование возможностей применения КЭНС для коррекции работы навигационных систем;

- разработка моделей КЭНС.

В практической части курса будет предложено техническое задание на выполнение НИРС и курсового проекта по данной дисциплине, а также методические указания к выполнению лабораторной работы.

ЛЕКЦИЯ. НАВИГАЦИЯ ПО РЕЛЬЕФУ МЕСТНОСТИ

1.1 Обзор предметной области

Одними из наиболее перспективных и динамично развивающихся систем для решения задачи корректировки БИНС являются корреляционно-экстремальные навигационные системы (КЭНС). Поэтому они и получили широкое применение. КЭНС предназначена для коррекции горизонтальных координат и проекций скорости летательного аппарата (ЛА), счисляемых БИНС, с использованием заранее известно эталонной информации об участках маршрута ЛА.

Различают следующие виды КЭНС:

- КЭНС по рельефу местности (рельефометрическая КЭНС);

- Радиолокационная КЭНС (оптическая КЭНС по изображениям местности);

- Магнитометрическая КЭНС;

- Гравитационная КЭНС;

- Оптическая КЭНС.

На рисунке 1 показаны основные типы КЭНС.

В настоящее время все разработки КЭНС ориентированы на цифровую обработку информации, а задача определения координат местоположения ЛА предполагает наличие бортовой эталонной карты поля. Поэтому для разработчиков наибольший интерес представляет классификация КЭНС по объему рабочей информации и алгоритмам корреляционно-экстремальной обработки рабочей информации. По объему рабочей информации КЭНС делятся на три класса:

КЭНС-1 – в системах этого класса измеряемая информация геофизического поля является одномерной, скалярной величиной;

КЭНС-2 – в системах этого класса бортовой датчик в течение короткого времени снимает информацию о поле вдоль заданной линии сканирования и эта информация выступает в качестве элементарного измерения поля, но представляет из себя некоторый одномерный массив (линейный объект);

КЭНС-3 – в системах этого класса измерением поля является информация, снимаемая датчиком с некоторого участка земной поверхности ("кадр" информации), т.е. измерение – это некоторый двумерный массив.

Рисунок 1 − Классификация КЭНС

Возможны и промежуточные классы КЭНС, в которых измерением является информация с нескольких точках, вдоль нескольких линий и др.

Важным достоинством КЭНС-1 является возможность использования для измерений как поверхностных полей Земли (поле ВРМ, оптическое, радиотепловое, инфракрасное поля, поле радиолокационного контраста и др.), так и пространственных полей (аномальное магнитное поле Земли (АМПЗ) и аномальное гравитационное поле Земли (АГПЗ)). Применение систем этого класса предполагает комплексирование с «грубой» навигационной системой (ГНС) ЛА, которая обеспечивает постоянное определение навигационных параметров полета (координаты местоположения, скорости, угловое положение ЛА в пространстве), но характеризуется наличием существенных ошибок в их определении. Комплексирование может осуществляться как по разомкнутой схеме, когда определенные в КЭНС ошибки навигационных параметров собственно в ГНС не поступают, так и в замкнутом контуре, когда ГНС и КЭНС объединены в рамках комплексной обработки информации. КЭНС-2 и КЭНС-3 могут использовать только поверхностные поля Земли.

По методу определения отклонения от экстремума КЭНС подразделяются на эвристические, поисковые, беспоисковые оптимальные (субоптимальные) и комбинированные.

Эвристические КЭНС разрабатывались на первом этапе на основе теории квазистационарных режимов. Алгоритмическое обеспечение на данном этапе базировалось в основном на использовании четырехточечной дифференциальной схемы формирования сигналов коррекции.

Главным недостатком дифференциального беспоискового алгоритма является потеря работоспособности системой при начальных рассогласованиях, превышающих радиус корреляции, а также при нестационарности поля по дисперсии, математическому ожиданию и спектру.

Поисковые КЭНС строятся на основе теории статистических решений. Особенностью поисковых алгоритмов является отсутствие ограничений на величину начальных ошибок навигационной системы.

Беспоисковые КЭНС базируются на Калмановской фильтрации, примененной к специфической задаче наблюдения нерегулярного поля. К достоинствам беспоисковых КЭНС относятся более высокие точностные характеристики, чем у поисковых КЭНС, однако ограничения на начальные рассогласования такие же, как и у эвристических КЭНС.

Комбинированные КЭНС, разрабатываемые на последнем этапе развития теории КЭНС, основываются на сочетании поисковых и беспоисковых алгоритмов, что позволяет снять ограничения по начальным ошибкам рассогласования и обеспечить высокую точность коррекции.

КЭНС является системой, функционирующей на основе задания множества гипотез об истинном движении объекта на некотором интервале времени, предшествующем текущему моменту. Каждой гипотезе ставится в соответствие определенная реализация, извлекаемая из карты поля. Сопоставление сигналов датчика поля и реализаций осуществляется путем вычисления некоторого функционала. Гипотеза, соответствующая экстремуму функционала, считается истинной.

КЭНС вырабатывает оценки навигационных параметров в зонах коррекции(ЗК), расположенных по маршруту полета и представляющих собой участки местности, ограниченные прямоугольными областями.

Эталонные матрицы высот зон коррекции формируются в системе подготовки полетных заданий из цифровых карт рельефа и вводятся в блок выработки навигационных поправок, представляющих собой двоичный код высот рельефа в узлах прямоугольной сетки, покрывающей ЗК.

Размеры дискретов матрицы высот, длина участка набора информации и другие параметры, необходимые для работы КЭНС в каждой ЗК, вводятся на борт в составе паспорта ЗК.

Во всех ЗК используется режим разовой коррекции (РК), базирующийся на традиционных алгоритмах поисковой КЭНС.

Вычисление режима разовой коррекции производится после набора измерительной информации на заданном интервале, начинающемся в центре доверительного квадрата по показаниям БИНС.

Оценки ошибок координат и проекций скорости формируются путем полного перебора гипотез об ошибках по координатам и скорости в пределах доверительного квадрата ЗК и поиска экстремума функционала сравнения измеренных и эталонных значений. В качестве функционала сравнения принята сумма квадратов разностей измеренных и эталонных высот рельефа по всем отсчетам сравниваемых реализаций.

В результате такой операции вырабатываются оценки ошибок по координатам и скорости, соответствующие глобальному минимуму функционала, которые поступают в БИНС для ее коррекции.