Исследование существующих способов автономного контроля целостности навигационных данных

№91-1,

технические науки

Проведено исследование существующих способов автономного контроля целостности навигационных данных на предмет возможности их применения на борту беспилотных летательных аппаратов. Результаты проведенных исследований показали, что большинство существующих способов основано на методах статистической теории радиотехнических устройств. Целесообразным для реализации автономного контроля целостности навигационных данных на борту беспилотного летательного аппарата является использование информации о его путевой скорости.

Похожие материалы

Необходимость решения различного рода задач беспилотными летательными аппаратами (БЛА), связанных с определением координат и параметров движения объектов, выдвигает комплекс жестких требований по точности и надежности получения навигационной информации о собственных координатах и параметрах движения. Условия применения и функционирования БЛА требуют повышенной точности и высокой частоты навигационных определений на всех этапах их использования, начиная от момента включения бортовых систем или старта аппарата и до окончания выполнения поставленной задачи.

Согласно требованиям к точности определения координат и высоты полета воздушного судна, выполняющего специальные полеты (какими и являются полеты БЛА) необходимо, чтобы среднеквадратическое отклонение (СКО) ошибки определения координат x и z не превышало 10 м и координаты y (высоты) — 5 м [1].

Помимо требований к точности в настоящее время предъявляются требования по таким параметрам, как доступность, непрерывность и целостность (применительно к спутниковым навигационным системам (СНС)) навигационных данных [2].

Доступность определяется вероятностью получения потребителем достоверной информации в заданный момент времени с требуемой точностью.

Непрерывность характеризуется вероятностью обеспечения системой достоверной информации на заданном интервале времени. Достоверность, в свою очередь, определяется, как способность навигационной системы поддерживать с заданной вероятностью свои характеристики в требуемых пределах на определенном промежутке времени в каком-либо районе [3].

Под целостностью понимают способность системы обеспечивать своевременное предупреждение о том, что ее не следует применять для целей навигации. На практике это требование предполагает, что система должна быть способной обнаружить свое неправильное функционирование до того, как ошибка в выходных навигационных параметрах превысит заданный порог [4].

Мерой целостности является вероятность обнаружения выхода рабочих характеристик системы (прежде всего точности) из требуемого предела и сообщения о нем в течение заданного временного интервала.

В последнее время вопросу контроля целостности навигационных данных СНС уделяется большое внимание.

Существует множество различных способов контроля целостности навигационных данных СНС [5]:

  • наземным контрольным сегментом навигационной системы;
  • геостационарными спутниками;
  • аппаратурой контрольных станций и других навигационных систем с последующей передачей информации о целостности навигационных данных потребителям;
  • собственно в аппаратуре потребителей (способы автономного контроля).

Особый интерес представляют способы автономного контроля целостности навигационных данных ввиду их оперативности, автономности и независимости от внешнего канала передачи данных [6].

Большинство существующих способов автономного контроля целостности навигационных данных основано на методах статистической теории радиотехнических устройств, например, методе оценок (максимального отличия решения; сравнения дальности; сравнения местонахождения; невязки по методу наименьших квадратов) и фильтрационных методах [7–10].

В работах [11–13] для реализации контроля целостности навигационных данных СНС в состав навигационной системы, включающей инерциальную навигационную систему (ИНС) и СНС, дополнительно вводится барометрический высотомер. Для обнаружения неверных данных СНС использован метод сравнения оценок постоянной составляющей погрешности измерения относительной высоты барометрическим высотомером и постоянной составляющей погрешности измерения ускорения ИНС с заданными пороговыми значениями. Оценки определяются совместно с оценками координат и параметров движения подвижного объекта в результате решения задачи синтеза методами оптимальной линейной фильтрации (фильтрации Калмана) [14].

Результаты проведенного в работе [15] моделирования показали, что сбой в поступлении навигационных данных СНС приводит к возрастанию оценок постоянной составляющей погрешности измерения относительной высоты барометрическим высотомером и постоянной составляющей погрешности измерения ускорения ИНС. В качестве недостатка отмечается медленный характер нарастания данных оценок и разное время, необходимое для пересечения заданных пороговых значений. Кроме того, в состав типовой навигационной системы БЛА, барометрический высотомер, как правило, не входит. Включение его в состав системы влечет за собой дополнительные аппаратные затраты, приводящие к увеличению массы и габаритов навигационной системы.

В работе [15] для осуществления автономного контроля целостности навигационных данных СНС использован метод суммирования невязок измерений в скользящем окне. Использование скользящего окна позволяет своевременно определить момент разладки, говорящий о наличии сбоя в определении навигационных данных СНС. Основным настраиваемым параметром алгоритма является число элементов, определяющих размер окна. При использовании метода суммирования невязок измерений в скользящем окне для определения сбоя в поступлении навигационных данных СНС также необходимо задавать пороговое значение.

Преимуществом данного способа контроля целостности по сравнению со способом, использующим метод сравнения, является уменьшение времени, необходимого для определения целостности навигационных данных.

Известен способ [16], основанный на контроле качества эфемеридной информации навигационных спутников, контроле качества кодовых псевдодальностей, контроле качества фазовых наблюдений и формировании интегральных показателей всего сеанса наблюдений. Для оценки целостности навигационных данных в реальном масштабе времени выполняются следующие этапы:

  • определяется местоположение объекта;
  • формируется модель распределения Н погрешностей определения местоположения х;
  • определяются параметры (а, b, с), характеризующие модель распределения Н, где а — параметр, определяющий самую вероятную величину распределения; b — параметр, указывающий на разброс экстремальных значений; с — параметр, указывающий на значимость экстремальных значений в распределении;
  • осуществляется моделирование в области распределения Н (х) вычислительным средством с учетом определенных параметров;
  • сравнивается в реальном масштабе времени распределение погрешностей определения местоположения с допустимым порогом, позволяющим выдавать индикацию целостности;
  • выдается в реальном масштабе времени индикация целостности навигационных данных о местоположении объекта.

Данный способ имеет ряд ограничений для использования на борту БЛА из-за большого объема вычислительных процедур и требуемого времени для вероятностных расчетов, а также из-за отсутствия контроля конечных параметров, используемых потребителем.

Способ автономного контроля целостности навигационных данных, представленный в работе [17], заключается в двухуровневом сравнении с допустимыми пороговыми значениями выходных параметров СНС. На первом уровне («грубый контроль») определяют широту, долготу и высоту с заданной точностью, при этом пороги по координатам определяют, исходя из области, ограниченной максимально возможной дальностью и высотой полета, а пороги по скорости контролируют по модулю скорости, которая должна находиться в пределах эксплуатационного диапазона. На втором уровне («точный контроль») контроль целостности производят на скользящем интервале наблюдений, где осуществляют контроль измерений скорости и вычисление вариации модуля скорости, а также контроль измерения координат и вычисление вариации приращения пути.

В случае превышения вариацией модуля скорости или вариацией приращения пути заданного порогового значения формируется признак неисправности. Контроль выдачи одних и тех же значений параметров от СНС осуществляют до n совпадений, при достижении которого формируется признак неисправности.

Следует отметить, что в современных приемниках СНС производятся измерения доплеровской частоты. Внешние проявления таких отказов СНС, как скачек или дрейф частоты опорного генератора или несущей частоты, сказываются в первую очередь на фазовых измерениях и измерениях частоты, и лишь через некоторое время на измерениях псевдодальности. Это обусловливает сбой в определении путевой скорости. Данный факт целесообразно использовать при разработке способа автономного контроля целостности навигационных данных СНС на основе анализа информации о путевой скорости БЛА.

В целом, обеспечение требуемого уровня доступности, непрерывности и целостности навигационных данных зачастую является более сложной задачей, чем выдерживание необходимой точности, и обусловливает состав и структуру навигационных систем БЛА.

Список литературы

  1. Требования к навигационному обеспечению [Электронный ресурс] // StudFiles.net [сайт] URL: https://studfiles.net/preview/6154645/page:6/ (да-та обращения 15.10.2018).
  2. Federal Radlonavigation Plan. USA: MOT & MOD, 1994. 38 p.
  3. Глобальная спутниковая навигационная система ГЛОНАСС / под ред. В.Н. Харисова, А.И. Перова, В.А. Болдина. М.: ИПРЖР, 1998. 400 с.
  4. Насыров В. Современные спутниковые радионавигационные си-стемы: учебное пособие. Казань: Изд-во Казан. Гос. ун-та, 2005. 43 с.
  5. Разработка метода контроля качества спутниковой радионавига-ционной системы [Электронный ресурс] // Pandia.ru [сайт] URL:https:// pandia.ru/text/ 78/310/17750.php (дата обращения 15.10.2018).
  6. ГЛОНАСС. Принципы построения и функционирования / под ред. А.И. Перова, В.Н. Харисова. Изд. 3-е, перераб. М.: Радиотехника, 2005. 688 с.
  7. Brown R.G., McBurney P.W. Self-Contained GPS Integrity Check Us-ing Maximum Solutions Separation // NAVIGATION, Journal of The Institute of Navigation. 1988. Vol. 35, No. 2. P. 41–54.
  8. Lee Y.C. Analysis of Range and Position Comparison Methods as a Means to Provide GPS Integrity in the User Receiver // Proceedings of the 42nd Annual Meeting of The Institute of Navigation (1986), Seattle, Washington, June 1986 / Institute of Navigation. Seattle, Washington, 1986. P. 1–4.
  9. Parkinson B.W., Axelrad P. Autonomous GPS Integrity Monitoring Using the Pseudorange Residual // NAVIGATION, Journal of The Institute of Navigation. 1988. Vol. 35, No. 2. P. 255–274.
  10. Brown R.G., Hwang P.Y.C. GPS Failure Detection by Autonomous Means Within the Cockpit // Proceedings of the 42nd Annual Meeting of The Institute of Navigation (1986), Seattle, Washington, June 1986 / Institute of Navigation. Seattle, Washington, 1986. P. 5–12.
  11. Иванов А.В. Анализ работы алгоритмов обработки информации в навигационных системах подвижных наземных объектов с контролем це-лостности навигационного обеспечения путем статистического компьютер-ного моделирования // Радиотехника. 2011. № 5. С. 6–11.
  12. Иванов А.В., Комраков Д.В., Сурков В.О. Алгоритмы обработки информации в навигационных системах наземных подвижных объектов с контролем целостности навигационных данных спутниковых радионави-гационных систем // Вопросы современной науки и практики. Университет имени В.И. Вернадского». 2014. Спец. вып. (52). С. 53–58.
  13. Иванов А.В., Комраков Д.В., Москвитин С.П. Точностные харак-теристики навигационных комплексов, использующих контроль целостно-сти спутниковых радионавигационных систем для реконфигурации // Вест-ник ТГТУ. 2015. № 4. С. 572–577.
  14. Ярлыков М. С. Статистическая теория радионавигации. М.: Ра-дио и связь, 1985. 344 с.
  15. Иванов А.В., Негуляева А.П., Москвитин С.П. Автономный кон-троль целостности навигационных данных спутниковых радионавигаци-онных систем методами сравнения и невязок // Вестник ТГТУ. 2016. Том 22. № 3. С. 358–367.
  16. Леви Ж.-К. Устройство и способ контроля целостности в реаль-ном времени спутниковой навигационной системы: патент № 2501039 С2 РФ; МПК G01S 19/08 / заявитель и патентообладатель ТАЛЬ. № 2010141534/07; заяв. 10.03.2009; опубл. 10.12.2013. Бюл. № 34. 13 с.
  17. Качанов Б.О., Заец В.Ф., Туктарев Н.А., Кулабухов В.С. Способ контроля данных от спутниковых навигационных систем и устройство для его осуществления: патент № 2585051 С2 РФ; МПК G01S 19/08 / заявитель и патентообладатель Открытое акционерное общество Московский науч-но-производственный комплекс "Авионика" имени О.В. Успенского (ОАО МНПК «Авионика»). № 2015112868/07; заяв. 08.04.2015; опубл. 27.05.2016. Бюл. № 15. 14 с.