Файл: Помехоустойчивый адаптивноробастный алгоритм контроля данных в комплексной инерциальноспутниковой.pdf

Управление большими системами. Выпуск 74
72 нормированной невязки в допусковый интервал (используется для определения нижней границы знаменателя нормированной невязки):
(23)
,
1
/
,
takt
i
i j
j
М
takt




(24)
2
,
1
(
) /
,
takt
i
i
i j
j
M
takt






где takt – это номер элемента от начала измерений.
4. Коррекция СКО ряда невязок при помощи скользящего окна:
(25)
2
,
20
(
) /
takt
i
i
i j
win
j takt
M
D







5. Сравнение невязки c допусковым интервалом
Допусковый интервал для квадрата нормированной невязки выберем исходя из статистических свойств нормированной невязки, а именно: при отсутствии рассогласования между реальными z
k
и прогнозируемыми
,
1 1
ˆ
k
k k
k
H
F
x




наблюдениями квадрат нормированной невязки имеет распределение

2
с опре- деленной вероятностью. При условии того, что нами была выбрана длина окна D
win
, возьмем табличное значение критерия

2
для D
win
степеней свободы с некоторой вероятностью

:

2
(

, D
win
). Так как критерий

2
оценивает совокупность элемен- тов ряда с единичной нормой
2 1
win
D
j
j









, то для приведения нор- мы к единичной (т.е. нормирование каждой невязки по уровню
3σ вместо σ) для оценки одного элемента будем использовать величину

=

3σ
2
(

, D
win
)/D
win
Однако, вследствие особенностей измерителей комплекс- ных систем, выбор вероятности

целесообразно проводить апостериорно после оценки уровня нестационарностей, прису- щих конкретным измерителям.
Квадрат нормированной невязки формируется по текущей невязке и отражает текущее состояние i-го канала вектора на-

Управление подвижными объектами и навигация
73 блюдений. Его отклонение от допуска (
2
,
i takt



) может быть связано как с кратковременными сбоями, так и с долгосрочны- ми уводами, либо отказами. При отсутствии нарушений невязка обрабатывается обобщенным фильтром Калмана, а парирование отказов или сбоев АП СНС происходит путем использования текущих оценок ФК в качестве пролонгированного решения.
Таким образом, данный способ позволяет локализовывать и парировать нарушения в измерениях АП СНС.
5.
Дополнительные факторы, влияющие
на сохранение тактико-технических
характеристик информационной системы
Помимо сбоев и помех в навигационных определениях АП
СНС, на поведение невязки могут влиять и такие параметры, как геометрический фактор АП СНС (GDOP), СКО навигационного решения АП СНС по горизонтальным координатам и в верти- кальном канале (HDOP и VDOP), а также количество НКА в зоне видимости АП СНС. При изменении любого из этих пара- метров, могут наблюдаться и, зачастую, наблюдаются, особен- но, в высотном канале, скачки в навигационных определениях, поступающих в обработку со стороны АП СНС. В этом случае, при нахождении геометрического фактора АП СНС в допусти- мых точностных пределах (GDOP <

, где

– необходимая точность навигационных определений), предлагается использо- вать информацию, поступившую с АП СНС, в качестве коррек- тированных координат в комплексном решении.
Скачки в навигационных определениях всегда сопровож- даются резким изменением дисперсии нормированной невязки.
Таким образом, при резком изменении дисперсии индикатора
(D

>

, где D

– дисперсия нормированной невязки, рассчитан- ная на интервале D
win
), предлагается идентифицировать измене- ния в геометрическом факторе, и если они присутствуют, то присваивать вектору с корректированными значениями коорди- нат и скоростей значения координат и скоростей, пришедших с
АП СНС, а также обнулять оценки по ошибкам в координатах и

Управление большими системами. Выпуск 74
74 скоростях вектора состояния x
k
, при этом сохраняя оценки ошибок по углам подвеса и эквивалентных ошибок по нулевым сигналам акселерометров и ДУС:
(26)
АПСНС
,
k
R
R

(27)
АПСНС
,
k
V
V

(28)
[0 5]
0,
k
x
 
где
k
R и
k
V – векторы с комплексным решением БИНС и АП
СНС по координатам и проекциям скоростей в инерциальной системе;
АПСНС
R
и
АПСНС
V
– векторы с решением АП СНС по координатам и проекциям скоростей в инерциальной системе;
[0 5]
k
x

– первые 6 элементов вектора состояния.
6.
Отработка контроля достоверности измерений
АП СНС на цифровом математическом и
имитационном комплексах моделирования
Для проверки функциональности сбоезащиты проведем от- работку различных типов сбойной информации на цифровом математическом комплексе. Подадим измерения высоты с математической модели АП СНС с различными типами сбоев:

«залипание» сигнала;

увод сигнала по высоте со скоростью 1 м/с;

увод сигнала по высоте со скоростью 2 м/с.
Моделирование проведем в условиях задания различных ошибок БЧЭ, ошибок ориентации и различного уровня шума
АП СНС. Для примера приведем результаты со следующим уровнем погрешностей: CKO
3σ
= 3 м; t
nv
= 2 c;
1


= 10 0
/час;
1
a

= 0,03 м/c
2
; ω
k
= 0,03%;


= 60

;


= 20

;


= 90

; где
t
nv
– время начальной выставки;
1


– дрейф нулевого сигнала
ДУС;
1
a

– нулевые сигналы акселерометров; ω
k
– погрешности масштабных коэффициентов ДУС;


– ошибка подвеса по углу курса;


– ошибка подвеса по углу тангажа;


– ошибка под- веса по углу крена, CKO
3σ
– СКО шума координат АП СНС по

Управление подвижными объектами и навигация
75 уровню 3σ. Выберем малое время начальной выставки, чтобы ошибки не успели скомпенсироваться и алгоритм ушел в авто- номный полет с недооцененными дрейфами нулевого сигнала
ДУС и нулевыми сигналами акселерометров.
Рис. 1. Ошибки алгоритма комплексирования: по широте (

B),
по долготе (

L), по высоте (

H)
Рис. 2. Квадраты нормированных невязок: на ось X (
2
x

),
на ось Y (
2
y

), на ось Z (
2
z

)
сбой
1 м/с сбой
2 м/с зали- пание сигнала допуско- вый интервал
2
z

2
y

2
x

B

L

H


Управление большими системами. Выпуск 74
76
На рис. 1 и 5 под ошибками алгоритма комплексирования

B,

L,

H подразумеваются рассогласования между навигаци- онными определениями алгоритма комплексирования БИНС с
АП СНС и эталонной информацией моделирующего комплекса.
Из рис. 1–2 можно сделать вывод, что при заданных ошиб- ках начальных условий, залипания сигналов и сбои величиной
1–2 м/с быстро идентифицируются при уровне шума, сопоста- вимом со скоростью увода, а в режиме пролонгации за время сбоя не происходит накопления ошибок.
Испытания алгоритма комплексирования с разработанным блоком контроля на математическом комплексе показали его работоспособность и функционирование в соответствии с зало- женной логикой. Моделирование работы алгоритма в условиях выдачи АП СНС сбоев различного типа подтвердили его рабо- тоспособность и заявленные свойства надежности контроля.
Для проверки функциональности сбоезащиты в условиях приближенных к реальным проведем отработку алгоритма на комплексе имитационного моделирования, в состав которого входят реальные измерительные устройства: реальная АП СНС, имитатор спутниковых сигналов ИМ-2(ФБМИ.464928.003 РЭ), реальная система навигации и автоматического управления, включающая в себя БЦВС и блок из 3 гироскопов и 3 акселеро- метров (в качестве блока чувствительных элементов (БЧЭ) используется математическая модель).
Моделирование проведем в условиях задания ошибок БЧЭ и ошибок подвеса на уровне: ω
0
= 10 0
/час, a
0
= 0,03 м/c
2
,
ω
k
= 0,03%,


= 60

;


= 20

. Результаты работы алгоритма сбоезащиты в составе имитационного комплекса представлены на рис. 3–5.
По рис. 4 видно, что в показаниях АП СНС в каналах по широте и высоте присутствуют скачки по координатам. Алго- ритм сбоезащиты надежно идентифицирует их и исключает из обработки, комплексируясь только на участках достоверной информации АП СНС.
Также следует отметить необходимость ограничения СКО невязки по нижней границе, которое необходимо для снижения уровня чувствительности контроля при работе с реальными

Управление подвижными объектами и навигация
77 измерителями (ИМ-2+АП СНС), и может быть откорректирова- но при других уровнях нестационарностей на других измерите- лях. При высоком уровне шума сбои с малой скоростью увода не идентифицируются до тех пор пока смещение навигацион- ных определений не превысит уровень шума.
Рис. 3. Квадраты нормированных невязок: на ось X (
2
x

),
на ось Y (
2
y

)
Рис. 4. Рассогласование по координатам АП СНС и модуля
эталонных измерений: по широте (

B), по долготе (

L),
по высоте (

H)
допуско- вый интервал
2
y

2
x

2
z

B

L

H


Управление большими системами. Выпуск 74
78
Рис. 5. Ошибки алгоритма комплексирования: по широте (

B),
по долготе (

L), по высоте (

H)
Таким образом, по проведенным испытаниям с ИМ-2 и АП
СНС на комплексе имитационного моделирования можно сде- лать вывод об обеспечении алгоритмом сбоезащиты заданных свойств надежности контроля и его функционировании в соот- ветствии с заложенной логикой.
7.
Заключение
Разработанный алгоритм сбоезащиты, построенный на принципах контроля нормированной невязки, позволяет свое- временно локализовывать и парировать аномальные навигаци- онные определения, за счет чего достигается повышение точно- сти и информационной надежности бесплатформенной ИСНС.
Испытания алгоритма комплексирования с разработанным блоком контроля на цифровом математическом комплексе и комплексе имитационного моделирования показали его работо- способность и функционирование в соответствии с заложенной логикой как при математическом моделировании, так и при работе с реальными измерительными устройствами, и подтвер- дили его работоспособность и заявленные свойства надежности контроля.
Также следует отметить небольшой объем вычислительной загрузки, требуемой для функционирования алгоритма в составе
B

L

H


Управление подвижными объектами и навигация
79 реального вычислителя, за счет малого количества итераций, необходимых для пересчета параметров алгоритма сбоезащиты на каждом такте его работы, что позволяет использовать его на вычислителях с низкой вычислительной мощностью.
Литература
1. ГРОШЕВ А.В., ФРОЛОВА О.А. Алгоритм контроля дос-
товерности измерений инерциально-спутниковой навигаци-
онной системы // Материалы XVIII конференции молодых ученых «Навигация и управление движением» с междуна- родным участием / Под общ. ред. академика РАН
В.Г. Пешехонова. – СПб.: ГНЦ РФ АО «Концерн "ЦНИИ
"Электроприбор"», 2016. – 691 с.
2. ДМИТРИЕВ С.П., КОЛЕСОВ Н.В., ОСИПОВ А.В. Инфор-
мационная надежность, контроль и диагностика навига-
ционных систем. – СПб.: ГНЦ РФ ЦНИИ «Электроприбор»,
2004. – 208 с.
3. КУЗОВКОВ Н.Т., САЛЫЧЕВ О.С. Инерциальная навигация
и оптимальная фильтрация. – М.: «Машиностроение»,
1982. – 216 с.
4. ЛОНЕР Р.Л., УИЛКИНСОН Г.Н. Устойчивые статистиче-
ские методы оценки данных. – М.: Машиностроение,
1984. – 232 с.
5. МУХОРТОВ В.В., КОРОЛЕВ И.Д., ШКУРИНСКИЙ С.В.
Защита систем спутниковой навигации от внешних про-
граммно-аппаратных воздействий // Инновации в науке: сб. ст. по матер. LV междунар. науч.-практ. конф. – №3(52),
Часть II. – Новосибирск: СибАК, 2016. – С. 102–108.
6. ОСИПОВ А.С Военно-техническая подготовка. Военно-
технические основы построения средств и комплексов
РЭП / Учебник под науч. ред. Е.Н. Гарина. – Красноярск :
Сиб. федер. ун-т, 2013. – 344 с.
7. ЧЕРНОДАРОВ А.В.Контроль и адаптивно-робастная
оценка состояния интегрированных навигационных систем
на базе квантово-оптических измерителей //Научный вестник МГТУ ГА. – 2012. – №185(11). – С. 5–12.

Управление большими системами. Выпуск 74
80 8. PSIAKI M.L., HUMPHREYS T.E. Protecting GPS From Spoo-
fers Is Critical to the Future of Navigation // IEEE Spectrum.
Telecommunication. Security. – 29 July 2016. – URL: https://spectrum.ieee.org/telecom/security/protecting-gps-from- spoofers-is-critical-to-the-future-of-navigation.
THE
NOISE-IMMUNE
ADAPTIVITY-ROBUST
ALGORITHM OF CONTROL THE MEASUREMENTS
RELIABILITY
OF
THE
INERTIAL-SATELLITE
NAVIGATION SYSTEMS
Andrey Groshev, JSC «ARPE «Temp-Avia», Arzamas, engineer- mathematician, post-graduate student(groshev_andrew@mail.ru).
Oksana Frolova, JSC «ARPE «Temp-Avia», Arzamas, sector superior, candidate of technical science.
Abstract: The application of the equipment of satellite navigation
system as a part of highly dynamic unmanned aerial vehicles
(UAVs) with breakeven inertial navigation satellite systems(INSS)
demands to increase the noise immunity. The noise i n navigation
information caused both electronic countermeasure equipment and
failure functioning of equipment of consumers of satellite naviga-
tion system may be separate and parry. As indicator of failure data
may be used Kalman’s filter sequence of residual, normalized by
her mean square deviation. This indicator can insure both noise-
immune and adaptivity-robust systems state value.
Keywords: inertial satellite navigation system, noise immunity, optimum filtering, control, diagnostics
Статья представлена к публикации членом
редакционной коллегии В.М. Вишневским.
Поступила в редакцию 22.11.2017
Опубликована 31.07.2018.