Рассматривается принципы формирования облика навигационной системы для подвижного наземного объекта. Предполагается, что основной радиотехнической системой, используемой при построении навигационных систем в настоящее время будет СРНС. Так же были предложены принципы построения и методы, которые будут использоваться в системе диагностирования, которая должна включаться в состав навигационной системы для контроля наличия сигналов на входе приемника СРНС. Предложения были сделаны на основе анализа соответствующих статей в данной области и изучения существующих разработок как отечественных таки иностранных, применяющихся на данный момент времени в качестве навигационных систем.
Расширение функций бортовых систем и повышение предъявляемых к ним требований обуславливает чрезвычайно высокую трудоемкость задач, связанных с их разработкой. Многообразие физических принципов, на базе которых реализуются системы, огромное количество возможных вариантов построения и вариантов их совершенствования привело к необходимости формирования облика перспективного бортового оборудования различных типов. Так в [1] рассматривается возможный облик навигационного комплекса для надводных кораблей, его состав, структура, особенности и требования, предъявляемые к навигационным комплексам данного вида. В [2] производится обоснование облика навигационной системы беспилотного летательного аппарата с указанием задач решаемых летательным аппаратом. В [3] рассматриваются общие структуры навигационных систем для различных типов объектов. В [4] приводится концепция построения навигационной системы подвижных наземных объектов (ПНО) сформированный на основе анализа только отечественных разработок и без указания принципов построения данной системы. Однако предложения по формированию облика навигационной системы для ПНО на основе анализа как отечественных, так и зарубежных навигационных систем в литературе не встречаются. Целью статьи является выработка предложений по формированию облика навигационной системы для ПНО.
В процессе функционирования навигационная система должна обеспечивать решение следующих основных задач:
- преобразование координат;
- определение параметров движения объекта;
- комплексная обработка информации;
- коррекция координат местоположения;
- выдача навигационной информации на индикатор и соответствующим потребителям;
Число задач, которые ставятся перед навигационной системой, может изменяться и зависит от типа объекта (летательный аппарат, наземный подвижный объект, морской или космический объект), сферы его применения (военный и гражданский) и соответствующих требований, предъявляемых к навигационной системе.
Облик навигационной системы, например, для подвижного наземного объекта зависит от набора датчиков, которые входят в его состав и от метода обработки полученной информации.
На начальном этапе развития был широко распространен состав навигационной системы, включающий в себя курсовую систему магнитного или гироскопического типа и датчик скорости.
Основным недостатком такой компоновки навигационной системы является значительное увеличение погрешностей в определении местоположения с течением времени, поэтому требуется применение радиотехнических систем коррекции (системы сотовой связи, радиотехнические системы дальней навигации (спутниковые радионавигационные системы (СРНС) (ГЛОНАСС / GPS), системы «Чайка» и «LORAN-C»).
Так как применение СРНС затруднительно в густо застроенных городских кварталах, карьерах, подземных парковках, то в данных условиях целесообразно применение систем сотовой связи для повышения точности позиционирования. В зависимости от применяемой технологии позиционирования и стандарта сотовой сети возможно получение значений точности от 16 до 50 м [5,6].
Однако применение систем сотовой связи в комбинации с СРНС не дает значительного уменьшения погрешностей позиционирования в виду того, что значения погрешностей, полученных при применении данных технологий в 10–100 раз больше, чем значения, полученные при применении спутниковых радионавигационных систем. Это проиллюстрировано в статье [7] и приведены соответствующие значения погрешностей при проведении моделирования. Применение систем сотовой связи в навигационных системах целесообразно лишь при пропадании сигналов от СРНС в качестве резервной системы при использовании реконфигурируемых алгоритмов обработки информации в ЭВМ навигационной системы.
Для повышения точности данных, полученных от приемника СРНС, может использоваться дифференциальный режим работы СРНС. Дифференциальный режим включает в себя получение данных от СРНС, получение дифференциальных поправок от систем дифференциальной коррекции, их обработку и выдачу данных потребителю.
Для обеспечения дифференциального режима работы СРНС в навигационных системах используется соответствующее программное обеспечение, например TheSplitBox для системы Ekinox-N. В данном программном обеспечении осуществляется обработка данных как от датчиков, входящих в состав системы, так и от систем дифференциальной коррекции и их обработку. В настоящее время системы сотовой связи не входят в состав навигационных систем ПНО, дифференциальный режим работы СРНС повсеместно применяется для навигационных систем ПНО иностранного производства [8] и позволяет значительно снизить погрешности позиционирования. В системах отечественного производства данный режим практически не используется, но создание и ввод в эксплуатацию российской системы дифференциальной коррекции и мониторинга позволит использовать дифференциальный режим СРНС и в навигационных системах отечественного производства.
На основе анализа навигационных систем ПНО отечественного и иностранного производства и принципов их построения [9] возможно сформировать обобщенные принципы построения навигационной системы:
1. В состав навигационной системы должны входить как радиотехнические так и нерадиотехнические измерители;
2. Строится система должна с использованием принципов комплексирования измерителей;
3. В качестве основной радиотехнической системы будет использоваться СРНС;
4. Для повышения точности данных, полученных от приемника СРНС, необходимо использование дифференциального режима работы СРНС;
На облик навигационной системы так же влияют применяемые методы обработки информации. К настоящему времени в навигационных системах применяется комплексирование устройств и систем на уровне вторичной обработки. Под вторичной обработкой информации понимают выполняемую в специализированных вычислителях обработку выходных сигналов измерителей для определения навигационных элементов. Длительное время в радиоэлектронных комплексах для вторичной обработки информации использовались простейшие алгоритмы эвристического происхождения, описанные, например, в [10]. В настоящее время в навигационных системах ПНО широко используются методы оптимальной линейной фильтрации [11–13].
Комплексная вторичная обработка информации дает положительный эффект если соответствующие измерители работоспособны, так как оценить работоспособность соответствующего измерителя возможно лишь при первичной обработке информации.
Первичная обработка информации — это поиск, обнаружение, селекция, преобразование и усиление входных сигналов навигационных измерителей для определения навигационных параметров. Максимального выигрыша при комплексной первичной обработке информации можно достичь, применяя для оптимизации комплексирования измерителей методы марковской теории оптимального оценивания случайных процессов и полей [14,15].
Первичную обработку информации целесообразно использовать применительно к радиотехническим системам.
Применение первичной обработки информации позволяет:
- производить оценку состояния радиотехнических систем;
- создать систему индикации отказов радиотехнических систем;
- повысить характеристики точности и помехоустойчивости радиотехнических систем.
Современные системы навигации для ПНО являются в основном комплексными и объединяют в своем составе как радиотехнические, так и нерадиотехнические измерители. Анализ [16] показывает, что роль основной радиотехнической системы для систем навигации играет СРНС. Пропадание сигналов данной системы возможно из-за выхода из строя приемника СРНС и из-за перехода приемника СРНС в режим кратковременного отказа. Пропадание приводит к значительному росту погрешностей при определении необходимых параметров и не соответствию данных погрешностей требуемым значениям, представленным в [17]. Это проиллюстрировано в статье [18], поэтому необходимым является создание системы контроля и диагностики радиотехнических измерителей, которая должна иметь возможность обеспечения контроля поля радиосигналов на входах приемных устройств радиотехнических измерителей для выявления факта их пропадания с целью определения перехода измерителя в режим кратковременного отказа.
Анализ [19] показывает, что основными методами диагностирования используемые в навигационных системах ПНО являются методы анализа алгебраических инвариантов — введение избыточных переменных (методов контроля целостности СРНС) описанных в статьях [20–24]. Данные методы диагностики при их реализации не предусматривают контроль наличия сигналов на входе приемника сигнала или датчика, например радиотехнического (СРНС), так как получают сигналы с выхода датчиков.
Поэтому система диагностирования должна строиться с использованием следующих принципов
1. Для контроля наличия сигналов на входе приемника СРНС необходимо использовать методы совместного обнаружения и оценивание параметров сигналов — применение методов первичной обработки информации.
2. Для контроля работоспособности СРНС при вторичной обработке информации возможно использовать методы анализа алгебраических инвариантов — введение избыточных переменных.
3. Для устранения последствий от пропадания сигналов СРНС необходимо применение алгоритмов, позволяющих производить реконфигурацию системы.
Таким образом, в статье были предложны принципы построения навигационных систем для ПНО исходя из анализа соответствующих статей по данной тематике, и предполагается так же, что основной радиотехнической системой, используемой при построении навигационных систем, в настоящее время будет СРНС. Так же были предложены принципы построения и методы, которые будут использоваться в системе диагностирования, которая должна включаться в состав навигационной системы для контроля наличия сигналов на входе приемника СРНС.
Литература:
1. Емельянцев, Г. И., Современные требования и облик навигационного комплекса для боевых надводных кораблей начала ХХI века / Г. И. Емельянцев, Э. С. Моисеев, А. Н. Солнцев //Навигация и гидрография. — 1995,№ 1 — с. 37–42.
2. Востриков, О. В. Обоснование облика навигационной системы ударного беспилотного летательного аппарата / О. В. Востриков// «Труды МАИ» — 2011, № 48.
3. Ориентация и навигация подвижных объектов: современные информационные технологии / Под ред. Б. С. Алешина, К. К. Веремеенко, А. И. Черноморского. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006. — 424 с.
4. Иванов, А. В. Навигация наземных объектов / А. В. Иванов, Н. А. Иванова. — LAP LAMBERT Academic Publishing, 2013. — 120 с.].
5. Иванов, А. В. Определение координат местоположения объекта в сетях GSM и UMTS на основе использования информации о направлении приема сигналов от базовых станций обеспечения / А. В. Иванов, Д. В. Комраков // Радиотехника. — 2013, № 9
6. Сурков, В. О. Точности определения местоположения подвижных наземных объектов в сотовых сетях GSM и UMTS / В. О. Сурков // Молодой ученый. — 2013. — № 6. — с. 147–150.
7. Иванов, А. В. Совместная обработка информации спутниковых радионавигационных систем и наземных сетевых систем в навигационных системах подвижных наземных объектов / Иванов А. В., Гостев А. В., Семенов А. А., Соколовская Л. В. / Радиотехника. — Москва, № 4, с. 16–19.
8. Сурков В. О. Сравнительный анализ отечественных и зарубежных систем навигации подвижных наземных объектов / В. О. Сурков // Молодой ученый. — 2015. — № 13. — С. 211–214
9. Сурков В. О. Сравнительный анализ принципов построения отечественных и зарубежных систем навигации подвижных наземных объектов / В. О. Сурков // Молодой ученый. — 2015. — № 14. — С. 195–198.
10. Бобнев, М. П. Комплексные системы радиоавтоматики / М. П. Бобнев, Б. Х. Кривицкий, М. С. Ярлыков. — М.: Сов. радио, 1968. — 232 с.
11. Браммер, К. Фильтр Калмана — Бьюси / К. Браммер, Г. Зиффлинг. — М.: Наука, 1982
12. Медич Дж., С. Статистически оптимальные линейные оценки и управление: пер. с англ. / С. Медич Дж.; под ред. А. С. Шаталова. — М.: Энергия, 1973. — 340 с.,
13. Сейдж, Э. П. Теория оценивания и ее применение в связи и управлении: пер. с англ. / Э. П. Сейдж, Дж. Л. Мелса; под ред. Б. Р. Левина. — М.: Связь, 1976. — 496 с
14. Ярлыков, М. С. Марковская теория оценивания случайных процессов / М. С. Ярлыков, М. А. Миронов. — М.: Радио и связь, 1993. — 464 с.
15. Ярлыков, М. С. Статистическая теория радионавигации / М. С. Ярлыков. — М.: Радио и связь, 1985. — 344 с.
16. Сурков, В. О. Анализ состава существующих систем навигации для подвижных наземных объектов и выбор наиболее перспективного состава, исходя из требований точности и надежности / В. О. Сурков // Современные тенденции технических наук: материалы II междунар. науч. конф. (г. Уфа, май 2013 г.). — Уфа: Лето, 2013. — с. 20–24.
17. Радионавигационный план Рос. Федерации: утв. приказом Министерства промышленности и торговли РФ от 2 сентября 2008 г. № 118: в редакции приказа Министерства промышленности и торговли РФ от 31 августа 2011 г. № 1177. [Электронный ресурс]. Доступ из справ.-правовой системы «КонсультантПлюс».
18. Сурков, В. О. Системы навигации подвижных наземных объектов и их характеристики / В. О. Сурков // Молодой ученый. — 2013. — № 7. — с. 76–79.
19. Сурков В. О. Анализ методов диагностирования, используемых в навигационных системах подвижных объектов [Текст] / В. О. Сурков // Молодой ученый. — 2015. — № 15. — С. 190–192.
20. Иванов, А. В. Оптимизация и комплексирование обработки информации в навигационно-посадочном комплексе с контролем целостности навигационного обеспечения по информации барометрического высотомера / А. В. Иванов // Радиотехника. — 2009.– № 7. — С. 72–82.
21. Иванов, А. В. Комплексные оптимальные алгоритмы обработки информации в навигационных системах подвижных наземных объектов с контролем целостности навигационного обеспечения / А. В. Иванов // Радиотехника. — 2010. — № 12. — С. 15–20.
22. Иванов, А. В. Анализ работы алгоритмов обработки информации в навигационных системах подвижных наземных объектов с контролем целостности навигационного обеспечения путем статистического компьютерного моделирования / А. В. Иванов // Радиотехника. — 2011. — № 5.– С. 6–11.
23. Иванов, А. В. Автономные системы контроля целостности навигационных данных спутниковых радионавигационных систем / А. В. Иванов // Радиотехника. — 2014. — № 7. — С. 55–64.
24. Иванов, А. В. Алгоритмы обработки информации в навигационных системах наземных подвижных объектов с контролем целостности навигационных данных спутниковых радионавигационных систем / А. В. Иванов, Д. В. Комраков, В. О. Сурков // Вопросы современной науки и практики. Университет им. В. И. Вернадского. — 2014. — № 52. — с. 53–58.
