АЛГОРИТМ КОМПЛЕКСИРОВАНИЯ УГЛОМЕРНОЙ НАП ГНСС И ИНЕРЦИАЛЬНЫХ ДАТЧИКОВ УГЛОВЫХ СКОРОСТЕЙ ДЛЯ ОЦЕНКИ ОРИЕНТАЦИИ ПОДВИЖНОГО ОБЪЕКТА

  • С.А. Савельев
  • И.В. Соловьев Филиал Акционерного общества «Объединенная ракетно-космическая корпорация» – «Научно-исследовательский институт космического приборостроения» (Филиал АО «ОРКК» – «НИИ КП»)
Ключевые слова: Инерциальные датчики угловых скоростей, гироскопы, угломерная навигационная ап-паратура потребителей, комплексирование, спутниковые навигационные системы

Аннотация

Целью работы является повышение точности и помехоустойчивости оценок пара-метров ориентации и угловой скорости подвижного объекта путем комплексирования информации гироскопических датчиков угловых скоростей (ДУС) и угломерной навигаци-онной аппаратуры потребителя (НАП) глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС). Для достижения этой цели проводится синтез алгоритма комплексной обработ-ки информации угломерной НАП ГНСС и гироскопических ДУС, предназначенного для оцен-ки параметров ориентации (матрицы, кватерниона), вектора погрешностей (дрейфов) гироскопов и вектора угловой скорости объекта. Особенностью представленного алго-ритма является то, что задача оценки параметров ориентации и угловой скорости реша-ется в два этапа: на первом этапе производится оценка кватерниона ориентации с помо-щью точечного алгоритма; далее полученный кватернион используется в качестве эффек-тивного измерения в линейном фильтре Калмана. Измерения угломерной НАП ГНСС, пред-ставляющие собой разности фаз радиосигналов навигационных спутников, принятых ан-теннами, расположенными в различных точках пространства, приводятся к векторной форме, что позволяет использовать в качестве детерминированного алгоритма один из существующих быстрых алгоритмов решения задачи Вахба. Проводится ковариационный анализ точности полученного решения и выводится выражение для ковариационной мат-рицы ошибок оценки ориентации. Полученный кватернион (матрица) ориентации является оценкой максимального правдоподобия, что позволяет использовать его совместно с соответствующей ковариационной матрицей в качестве эффективного измерения в линей-ном фильтре Калмана, вектор состояния которого включает в себя кватернион ориента-ции и вектор ошибок (дрейфов) гироскопов. Такой подход позволяет повысить вычисли-тельную эффективность алгоритма путем отказа от использования расширенного фильтра Калмана, а также повысить его численную устойчивость. Приведенные резуль-таты математического моделирования демонстрируют устойчивую работу алгоритма при воздействии как шумов измерений, обусловленных погрешностями НАП, так и шумов модели динамической системы, обусловленных шумами измерений ДУС и случайным блуж-данием дрейфов гироскопов ДУС. Результаты моделирования показывают, что предло-женный фильтр позволяет существенно уточнять оценки ориентации, полученные с по-мощью точечного алгоритма. Предложенный алгоритм повышает устойчивость потре-бителя навигационной информации к сбоям НАП, так как позволяет продолжать оценку параметров ориентации и угловой скорости при временном пропадании информации НАП без существенной потери точности.

Литература

1. ГЛОНАСС. Принципы построения и функционирования. – 4-е изд. / под ред. А.И. Перо-ва, В.Н. Харисова. – М.: Радиотехника, 2010. – 800 с.
2. Перов А.И., Шатилов А.Ю. Оценивание углов ориентации объекта с использованием спутниковых радионавигационных систем // Радиотехнические тетради. – 2008. – № 37. – C. 53-56.
3. Поваляев А.А. Определение ориентации объектов по сигналам глобальных навигацион-ных спутниковых систем. – М.: Радиотехника, 2015. – 320 с.
4. Crassidis J.L., Markley F.L. New Algorithm for Attitude Determination Using Global Posi-tioning System Sygnals // AIAA Jpurnal of Guidance, Control, and Dynamics. – Sept.-Oct. 1997. – Vol. 20, No. 5. – P. 891-896.
5. Giorgi G., Buist P.J., Verhagen S., Teunissen P.J.G. GNSS-Based Attitude Determination. Aerospace and Formation Flying // InsideGNSS. – July – August 2011. – P. 62-71.
6. Cohen C.E. Attitude Determination Using GPS // PhD thesis, Stanford University, Department of Aeronautics and Astronautics, 1992.
7. Crassidis J.L., Lightsey E.G., Markley F.L. Efficient and Optimal Attitude Determination Us-ing Recursive Global Positioning System Signal Operations // Journal of Guidance, Control, and Dynamics. – Vol. 22 (2), – P. 193-201.
8. Park F.C., Kim J., Kee C. Geometric Descent Algorithms for Attitude Determination Using GPS // In 14th World Congress of IFAC, P. 557 – 562, Seoul, Korea, 1999.
9. Перов А.И. Синтез комплексного алгоритма фильтрации разностей фаз в инерциально-спутниковой угломерной навигационной аппаратуре // Радиотехника. – 2018. – № 9. – С. 120-130.
10. Емельянцев Г.И., Степанов А.П. Интегрированные инерциально-спутниковые системы ориентации и навигации / под общей ред. акад. РАН В.Г. Пешехонова. – СПб.: ГНЦ РФ АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2016. – 394 с.
11. Wang C. Development of a Low-cost GPS-based Attitude Determination System // PhD thesis, University of Calgary, Department of Geomatics Engineering, 2003.
12. Hirokawa R., Ebinuma T. A Low-Cost Tightly Coupled GPS/INS for Small UAVs Augmented with Multiple GPS Antennas // Navigation: Journal of the Institute of Navigation. – 2009. – Vol. 56, No. 1. – P. 35-44.
13. Wahba G. A Least Squares Estimate of Spacecraft Attitude // SIAM Review. – 1965. – Vol. 7, No. 3. – P. 409.
14. Shuster M.D. Approximate Algorithms for Fast Optimal Attitude Computation // AIAA Paper 78-1249, AIAA Guidance and Control Conference, Palo Alto, CA, August 7-9, 1978.
15. Shuster M.D., Oh S.D. Three-Axis Attitude Determination from Vector Observations // Journal of Guidance and Control. – January-February 1981. – Vol. 4, No. 1. – P. 70-77.
16. Mortari D. ESOQ: A Closed-Form Solution to the Wahba Problem // The Journal of the Astronautical Sciences. – July-September 1997. – Vol. 45, No. 2. – P. 195-204.
17. Mortari D. Second Estimator of the Optimal Quaternion // Journal of Guidance, Control and Dynamics. – 2000. – Vol. 23, No. 5. – P. 885-888.
18. Markley F.L. Attitude Determination Using Vector Observations: a Fast Optimal Matrix Algorithm // The Journal of the Astronautical Sciences. – April-June 1993. – Vol. 41, No. 2. – P. 261-280.
19. Соловьев И.В. Алгоритм “ORIENT” оценки ориентации космического аппарата по астроиз-мерениям // Авиакосмическое приборостроение. – 2012. – № 12. – C. 11-19.
20. Shuster M.D. Maximum Likelihood Estimation of Spacecraft Attitude // Journal of the Astronautical Sciences. – January – March 1989. – Vol. 37, No. 1. – P. 79-88.
Опубликован
2019-05-08
Выпуск
Раздел
РАЗДЕЛ IV. СВЯЗЬ, НАВИГАЦИЯ И НАВЕДЕНИЕ