Показатели Glonass-премника с системой обработки
Показатели
|
Характеристика
|
Значение
|
Приемная часть
|
56 каналов
Glonass L1OF
|
–
|
Время до первой фиксации координат, с
|
Холодный старт
|
32
|
Теплый старт
|
25
|
Горячий старт
|
1
|
Чувствительность приемного устройства, дБм
|
Слежение и навигация
|
–158
|
Холодный старт
|
–139
|
Теплый старт
|
–145
|
Горячий старт
|
–155
|
На блок вычислителя и периферии возлагается целый комплекс задач по сбору, накоплению, обработке данных, получаемых от измерителей, а также опрос спутникового канала определения координат и взаимодействие с вычислителем верхнего уровня.
Блок вычислителя и периферии, основным элементом которого является микроконтроллер STM32F407, работает в совокупности с вычислителем верхнего уровня. Связано это с тем, что банк цифровых карт местности (ЦКМ) занимает существенный объем памяти, и многие алгоритмы решения навигационных задач комбинированными методами требуют высоких вычислительных ресурсов.
Магнитометрическая информация с трехосного блока магнитометров [3] проходит через несколько стадий работы встраиваемого подвижного объекта (ПО). В первую очередь сигнал с АЦП проходит через цифровой ФНЧ, затем аналитически фильтруется [4] на наличие случайных и шумовых составляющих. После цифровой фильтрации проводится алгоритмическая компенсация температурной погрешности с учетом показаний датчика температуры. Скомпенсированные данные проходят алгоритмическую компенсацию погрешностей взаимной ориентации осей чувствительности и приборного трехгранника (данное явление связано с неточностями поверхностного монтажа измерителей и элементов корпуса). Затем происходит алгоритмический учет свойств магнитомягкого и магнитотвердого железа в составе элементов корпуса. Далее данные проходят через блок метрологической калибровки, на выходе которого они приобретают конечную величину. После установки на реальный подвижный объект данные после калибровки повторно проходят через алгоритм учета магнитных свойств основания, а затем их можно использовать для ПО высокого уровня и вычисления магнитного курса.
Акселерометрическая и гироскопическая информация подвергается обработке по схожим этапам до метрологической калибровки, далее информация обрабатывается комбинированно для компенсации влияния линейных ускорений. Информация с баровысотомера также проходит стадии цифровой фильтрации и температурной компенсации, после чего проводится метрологическая калибровка.
Ядром навигационного алгоритма во встраиваемом ПО является слабосвязанный алгоритм интергированной инерциально-спутниковой системы, который по сути представляется фильтром Калмана [4]. Вся обработанная информация используется для ПО высокого уровня, в котором производится наиболее полное использование информации комбинированными методами [5], а также передача информации в распределенную сеть измерителей в случае использования МИМ в составе дифференциальной геомагнитной навигационной системы.
Магнитоинерциальный модуль предполагается использовать в составе штатной пилотажно-навигационной системы ориентации и навигации ПО в качестве корректора инерциальных систем и резервных систем навигации, а также как основной самостоятельный источник пилотажно-навигационной информации на пилотируемых и беспилотных летательных аппаратах (ЛА), включая применение в распеределенных магниточувствительных системах.
К числу новых применений МИМ относится распределенная магниточувствительная система для различных прикладных направлений. К приоритетным направлениям относится дифференциальная геомагнитная навигация [5]. Помимо классических задач навигации и ориентации подвижных объектов на МИМ планируется опробация алгоритмов распределенной indoor навигационной системы для навигации и ориентации внутри помещений и других объектов, где невозможен прием сигналов СНС. Магнитное поле Земли в каждом помещении приобретает уникальный рисунок за счет всевозможных перекрытий, балок и других элементов здания. Предлагается использовать этот рисунок для создания карты, за счет которой и будет отслеживаться местоположение пользователя. В настоящее время проводятся испытания и калибровки МИМ-1 для использования его в составе распределенной магниточувствительной системы.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Игнатьев А. А., Решетников Н. В. Переносный универсальный измеритель геомагнитного поля // Гетеромагнитная микроэлектроника : сб. науч. тр. Саратов : Изд-во Сарат. ун-та, 2013. Вып 15 : Гетеромагнитная микро- и наноэлектроника. Методические аспекты физического образования. С. 131–136.
Микросхемы преобразователи интефейсов. URL : http://www.holtic.com/news/
804-first-33v-arinc-717-arinc-429-transceiver.aspx (дата обращения : 18.02.2016).
Игнатьев А. А., Спиридонов Д. М. Однофакторные калибровки блока магнитометров // Гетеромагнитная микроэлектроника : сб. науч. тр. Саратов : Изд-во Сарат. ун-та, 2013. Вып 15 : Гетеромагнитная микро- и наноэлектроника. Методические аспекты физического образования. С. 115–130.
Zhao Yu. GPS/IMU Integrated System for Land Vehicle Navigation based on MEMS. URL : http://www.dissertations.se/dissertation/f60d53dc6d/ (дата обращения : 18.02.2016).
Проскуряков Г. М., Буров А. С. Исследование функций чувствительностей и погрешностей алгоритмов дифференциальной геомагнитной навигации // Вестн. Сарат. гос. техн. ун-та. 2013. Т. 1, № 1(69). С. 3–5.
УДК 531.38
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ ГЕОМАГНИТНАЯ
НАВИГАЦИЯ ПОДВИЖНЫХ ОБЪЕКТОВ
Г. М. Проскуряков, А. А. Игнатьев*, М. В. Поздняков, А. В. Ляшенко
ОАО «Институт критических технологий»
Россия, 410040, Саратов, пр. 50 лет Октября, 110А
E-mail: kbkt@renet.ru
*Саратовский национальный исследовательский
государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Россия, 410012, Саратов, ул. Астраханская, 83
E-mail: kof@sgu.ru
В статье проводится анализ предлагаемого метода дифференциальной геомагнитной навигации. Показаны его преимущества по многим показателям перед существующим методом корреляционно-экстремальной навигации. Указано на возможность практической реализации нескольких модификаций способов дифференциальной геомагнитной навигации как самостоятельно (автономно), так и при комплексировании с другими способами навигации (инерциальным, спутниковым, радиотехническим и др.).
Ключевые слова: метод дифференциальной геомагнитной навигации, подвижный объект, дифференциально-компонентная геомагнитная навигация, матрица функций чувствительностей.
Differential Geomagnetic Navigation of Moving Objects
G. M. Proskuryakov, A. A. Ignatiev, M. V. Pozdnyakov, A. V. Lyashenko
In this article the analysis of the proposed method of differential geomagnetic navigation is carried out. Advantages of this method in comparison with the method of correlation extremal navigation were shown. The availability of practical realization of some modifications of the method of differential geomagnetic navigation both independently and in aggregation with other navigation methods (inertial, satellite, radio technical etc) was pointed.
Key words: method of differential geomagnetic navigation, moving object, differentional-component geomagnetic navigation, sensitivity function matrix.
Необходимость наблюдения за геофизическими полями и измерение их параметров лежат в основе решения многих геофизических, геологоразведочных, климатических, экологических, инженерных и научно-технических задач [1–3]. К числу инженерных и научно-практических задач с использованием геофизической информации относятся актуальные в настоящее время и перспективные задачи автономной навигации и ориентации (АНО) подвижных объектов (ПО) в околоземном пространстве (на земле и под землей, на воде и под водой, в атмосфере и ближнем околоземном космосе) [4–11]. В последние 10–15 лет наблюдается возрастание интереса со стороны специалистов к проблемам совершенствования методов, способов, средств и технологий решения задач АНО ПО на основе геофизической информации [3, 7].
Одним из наиболее распространенных в настоящее время методов решения задач АНО на основе использования геофизической информации является метод корреляционно-экстремальной навигации (КЭН) по аномальному магнитному полю Земли (МПЗ-А) [5, 6, 9, 10]. Суть этого метода заключается в том, что измеренные на борту ПО параметры аномального геомагнитного поля (градиенты модуля напряженности МПЗ-А) сравниваются с координатно-привязанным эталоном градиента модуля. Причем многомерная информация о численных значениях эталонов градиентов модуля МПЗ-А для каждой конкретной точки околоземного пространства хранится в долговременной памяти бортового вычислителя.
С целью улучшения показателей точности, устойчивости и других параметров систем на практике находят широкое применение интегрированные (гибридные) комплексы навигации, основанные на объединении систем КЭН с инерциальными (ИНС), спутниковыми (СНС) и другими навигационными системами.
В качестве альтернативы методу КЭН был предложен метод дифференциальной геомагнитной навигации (ГМН) [12, 13], который может быть реализован различными способами:
дифференциально-градиентно-модульным (ДГМ);
дифференциально-градиентно-компонентным (ДГК);
дифференциально-компонентным (ДК);
дифференциально-угломерным (ДУ).
Сущность метода ДГМН заключается в том, что задача позиционирования ПО относительно априорно заданной дискретной геомагнитной сетки (ГМС) базовых точек решается алгоритмическим путем за счет вычисления переменного радиуса корреляции Δr, зависящего от приращений компонент вектора напряженности (ΔTМПЗ) МПЗ (для ДК ГМН), или от приращений градиентов модуля вектора напряженности (ΔgradТ) МПЗ (для ДГМ ГМН), или от приращений градиентов компонент вектора МПЗ (для ДГК ГМН), или от приращений углов ориентации вектора МПЗ в пространстве (для ДУ ГМН), вычисляемых путем сравнения соответствующих параметров МПЗ, зафиксированных в базовых точках (узлах ГМС) и контрольных (текущих) точках маршрута (рис. 1): S – площадь территории для навигации; A, B, C, D – базовые точки конечного элемента ΔS, выделенного из географической сетки (узлы сетки); Δφ, Δλ (Δℓφ, Δℓλ) – угловые (линейные) размеры конечного элемента (λ – географическая долгота, φ – георгафическая широта); r– радиус-вектор контрольной точки; r0 – радиус-вектор базовой точки; Δr – вариация радиуса-вектора; R – радиус Земли (R = 6371,11 км); K – контрольная точка; XgYgZg – географический трехгранник.
Масштабы навигации – глобальные: в атмосфере (высота до 500 км), под землей (глубина до 10 км), под водой (глубина до 15 км), на земле (не ограничены).
Общая характеристика сравниваемых методов решения задачи автономной навигации (КЭН и ДГМН) приводится в табл. 1, из которой следует, что метод ДГМН не требует обязательного использования карты местности (КМ) и карты поля (КП), так как прокладка маршрута и счисления пройденного пути (позиционирование) обеспечиваются привязкой к дискретным точкам ГМС.
R
0 (центр Земли)
0
S
Zg (Восток)
Yg (вертикаль)
ΔS
C
A
B
D
Xg (север)
K
Δr
r
r0
Δλ
Δℓλ
Δφ
Δℓφ
Рис. 1. Схема реализации метода дифференциальной геомагнитной навигации
Таблица 1
Характеристика сравниваемых методов ГМН
Показатели
сравнения
|
Методы ГМН
|
КЭН
|
ДГМН
|
Сущность метода
|
Полуавтономное позиционирование объектов по условию совпадения градиентов геомагнитной индукции в контрольной и базовой точках на карте местности (КМ) и карте поля (КП)
|
Автономное позиционирование объектов на основе вычисления поправок радиуса-вектора (Δr) и учета их при использовании априорно заданной информации о дискретной геомагнитной сетке (ГМС) базовых точек
|
Подготовка
программы полетного задания (ПЗ)
|
Программа ПЗ включает прокладку маршрута (программной траектории) по КМ с табулированной привязкой к КП
|
Программа ПЗ включает прокладку маршрута (программной траектории) по КМ с табулированной привязкой к ГМС (или без нее)
|
Окончание табл. 1
|
Показатели
сравнения
|
Методы ГМН
|
КЭН
|
ДГМН
|
Реализация
программы ПЗ
в полете
|
Производится программно-алгоритмическим (численным) способом с использованием функционалов корреляционных функций путем вычисления их экстремумов с последующим вычислением радиусов корреляции
|
Производится программно-алгоритмическим численным способом путем вычислений матриц функций чувствительностей (априорно) и радиусов корреляции (радиусов поправок)
|
Условия позиционирования объектов
|
Условие ограничения радиуса корреляции (поиска) ρ ≤ 10 м
Условие совпадения текущих и эталонных значений градиентов модуля геомагнитной индукции в контрольной и базовой точках на КП и КМ
|
Условие вычисления поправки радиуса-вектора относительно выбранных базовых точек ГМС
Условие учета вычисленных значений поправок при определении фактических координат позиционирования объекта
|
Магнитные
измерения
– первичные
– вторичные
|
Модульные (B)
Градиентные В
|
Компонентные (Bi)
Дифференциальные (ΔBi)
|
Масштаб
геомагнитного
позиционирования объектов
|
Точечный
|
Локально-точечный
|
Характеристика геомагнитных
измерений
и вычислений
|
Многоточечные измерения модуля геомагнитной индукции B на измерительной базе (l ≥ 3 м) и последующие вычисления и сравнения градиентов модуля В
|
Одноточечные измерения компонент вектора геомагнитной индукции в контрольных и базовых точках ГМС и вычисления трех попарных разностей ΔBi
|
Показатели
геомагнитного
позиционирования объектов
|
Корреляционные функции градиентов модуля геомагнитной индукции
|
Компоненты вектора геомагнитной индукции и их приращения
|
Алгоритмы ГМН
|
Поисковые рекуррентные
Основаны на условии отыскания экстремумов корреляционных функций на каждом шаге вычислений
|
Беспоисковые нерекуррентные
Основаны на вычислении и учете поправок Δr к радиусам-векторам Δr0 базовых точек ГМС в темпе движения объекта
|
Достижимая точность решения
задачи ГМН
|
Высокая
Ограничивается радиусом корреляции ρ (ρ ≤ 10 м)
|
Приемлемая
Ограничивается инструментальными погрешностями ТБМ и методическими погрешностями ГМС (Δr~100 м)
|
Устойчивость
решения задачи ГМН
|
Низкая
Обусловлена сильными ограничениями радиуса корреляции ρ
|
Высокая
Ограничения на радиус корреляции (поправку Δr) отсутствуют
|
Условие позиционирования объектов легче осуществить методом ДГМН, поскольку при этом не требуется вычислять экстремумы функционалов корреляционных функций.
Требования к системам ГМН представлены табл. 2.
Таблица 2
|
