Моделирование алгоритмов комплексирования разнородных навигационных наблюдений
В известной литературе описан ряд подходов к решению задачи комплексирования навигационных средств, используемых при различной степени аппаратной интеграции навигационного комплекса. Вместе с тем, мало исследованными остаются алгоритмы комплексирования навигационной информации, позволяющие учитывать реальные модели движения морских подвижных объектов. Задача комплексирования усложняется… Читать ещё >
Содержание
- Глава 1. Анализ принципов построения навигационных комплексов с различной степенью интеграции
- 1. 1. Постановка задачи
- 1. 2. Навигационные системы, физические принципы их работы и погрешности измерений
- 1. 2. 1. Спутниковые навигационные системы
- 1. 2. 2. Инерциальные навигационные системы
- 1. 2. 3. Радиопеленгаторы и гиперболические радионавигационные системы
- 1. 2. 4. Гидроакустические станции
- 1. 2. 5. Лаги
- 1. 2. 6. Компасы
- 1. 3. Комплексирование источников навигационной информации
- 1. 3. 1. Виды и схемы комплексирования
- 1. 3. 2. Комплексирование на уровне первичной обработки информации
- 1. 3. 3. Частотные методы оценки навигационных параметров
- 1. 3. 4. Временные методы оценки навигационных параметров
- 1. 3. 5. Комплексирование на уровне вторичной обработки информации
- 1. 4. Синтез фильтров комплексной обработки информации
- 1. 5. Нелинейная фильтрация в задачах обработки навигационной информации
- 1. 6. Контроль целостности и обнаружение аномальных режимов работы. 55 1.7. Выводы
- Глава II. Синтез, анализ и математическое моделирование оптимальных и квазиоптимальных алгоритмов комплексирования навигационной информации
- 2. 1. Постановка задачи
- 2. 2. Стохастические модели движения корабля
- 2. 2. 1. Модель движения с высокими скоростями
- 2. 2. 2. Модели движения с малыми скоростями
- 2. 2. 3. Уравнения движения в дискретном времени
- 2. 2. 4. Линеаризация модели движения в режиме стабилизации курса
- 2. 2. 5. Линеаризация модели движения в режиме установившейся циркуляции
- 2. 3. Комплексирование навигационной информации при интенсивных внешних воздействиях
- 2. 3. 1. Комплексная нелинейная фильтрация разнородных наблюдений
- 2. 3. 2. Комплексная линейная фильтрация разнородных наблюдений
- 2. 4. Оценивание местоположения судна с применением квазиоптимальной линейной схемы
- 2. 5. Оценивание путевого угла корабля при движении на высоких скоростях
- 2. 6. Выводы
- Глава III. Реализация программного комплекса системы автоматического управления движением корабля
- 3. 1. Постановка задачи
- 3. 2. Принципы построения программы моделирования управления морскими подвижными комплексами
- 3. 3. Проектирование и реализация ПК «Моделирование»
- 3. 4. Проектирование и реализация ПК «Комплексирование»
- 3. 5. Проектирование и реализация ПК «Управление»
- 3. 6. Предварительная обработка навигационной информации с источников
- 3. 6. 1. Пересчет показаний инерциальной системы в точку центра масс
- 3. 6. 2. Коррекция качаний антенны приемника СНС
- 3. 7. Проектирование и реализация алгоритмов комплексирования навигационной информации в режиме динамического позиционирования
- 3. 8. Проектирование и реализация алгоритмов комплексирования навигационной информации в режиме высоких скоростей
- 3. 9. Адаптация ПК САУД к различным составам и ТТХ аппаратного обеспечения и двигателей корабля
- 3. 9. 1. Цель и задачи адаптации ПК САУД
- 3. 9. 2. Формат файла, содержащий конфигурационную информацию
- 3. 9. 3. Формат файла, содержащего табличную информацию
- 3. 9. 4. Механизм адаптации ПК к сочетанию и ТТХ средств управления движением
- 3. 9. 5. Механизм адаптации ПК к сочетанию имеющихся источников навигационной информации
- 3. 10. Выводы
Моделирование алгоритмов комплексирования разнородных навигационных наблюдений (реферат, курсовая, диплом, контрольная)
Актуальность темы
Современные комплексы навигационных приборов, устанавливаемых на морских и воздушных судах, а также на наземном транспорте, содержат различные средства получения информации о местоположении, ориентации в пространстве и параметрах движения подвижного объекта. Это порождает задачу комплексирования имеющейся информации с целью минимизировать ошибки оценивания параметров движения, определить выход из строя отдельных источников, а также обнаружить кратковременные выбросы наблюдаемых значений, связанные с аномальным влиянием тех или иных внешних факторов.
В известной литературе описан ряд подходов к решению задачи комплексирования навигационных средств, используемых при различной степени аппаратной интеграции навигационного комплекса. Вместе с тем, мало исследованными остаются алгоритмы комплексирования навигационной информации, позволяющие учитывать реальные модели движения морских подвижных объектов. Задача комплексирования усложняется нелинейностью моделей таких объектов, вызванной особенностями движения в водной среде. В то же время учет характера движения позволил бы уменьшить погрешности комплексных оценок. Получение таких оценок требует проведения значительного объема вычислительных работ по моделированию алгоритмов с целью их параметрической и структурной оптимизации, а также обеспечения вычислений в режиме реального времени. Таким образом, возникает актуальная задача разработки, моделирования и реализации в виде программных комплексов алгоритмов комплексирования разнородной информации с учетом динамических характеристик объекта управления.
Цель и задачи работы. Основной целью работы является повышение точности оценивания местоположения и параметров движения подвижного объекта на основе синтеза и моделирования оптимальных нелинейных и линеаризованных алгоритмов комплексирования разнородной навигационной информации. Для достижения названной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Проанализировать существующие источники навигационной информации, известные алгоритмы комплексирования, характер и величину возникающих погрешностей.
2. Синтезировать нелинейные и квазиоптимальные линеаризованные алгоритмы комплексирования разнородных навигационных источников, учитывающие модели движения управляемых объектов.
3. Провести математическое моделирование с целью сравнения эффективности оптимальных и квазиоптимальных алгоритмовдать оценки вычислительной сложности разработанных алгоритмов, изучить особенности их программной реализации.
4. Произвести проектирование и оптимизацию программного комплекса моделирования системы автоматического управления движением.
Методы исследования. При решении поставленных задач использовались методы теории вероятностей и математической статистики, теории случайных процессов. При разработке программного обеспечения применялись методы объектно-ориентированного анализа и проектирования распределенных программных систем.
Научная новизна положений, выносимых на защиту.
На защиту выносятся следующие научные результаты:
1. Предложены и промоделированы алгоритмы комплексирования, учитывающие нелинейную модель морского подвижного объекта, что позволило снизить СКО ошибки оценивания местоположения и параметров движения объекта.
2. Произведен сравнительный анализ эффективности алгоритмов, использующих нелинейную и линеаризованную модели. Показаны преимущества тех или иных алгоритмов при использовании их в реальных системах.
3. Предложены оптимальные и квазиоптимальные алгоритмы оценивания путевого угла, позволяющие за счет достаточно точных показаний гироскопического компаса и инерциальной системы значительно снизить дисперсию путевого угла, определяемого СНС.
4. Предложен и реализован в виде программного комплекса «Комплек-сирование» метод обработки навигационной информации, адаптируемый под множество возможных конфигураций навигационных средств корабля и позволяющий в реальном времени исключать неработоспособные источники из алгоритмов.
Практическая значимость. Предложенные в диссертации методика моделирования и алгоритмы дают разработчикам возможность построения универсальных систем обработки разнородной навигационной информации с учетом характера движения, позволяющих получать оценки местоположения и параметров движения объекта.
На основе предложенных алгоритмов был разработан программный комплекс «Комплексирование», используемый для автоматического управления движением корабля, что подтверждается актом внедрения, приложенным к диссертационной работе. Программный комплекс позволяет получить оценки необходимых параметров движения в различных режимах работы системы автоматического управления: в режиме динамического позиционирования и управления движением на высоких скоростях.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих НТК:
•Международная конференция «Континуальные алгебраические логики, исчисления и нейроинформатика в науке и технике» (Ульяновск, Ул-ГТУ, 2006);
•ХЫУ Международная научная студенческая конференция «Студент и научно-технический прогресс» (Новосибирск, НГУ, 2006);
•Пятая Всероссийская научно-практическая конференция (с участием стран СНГ), посвященная 50-летию Ульяновского Государственного Технического Университета (Ульяновск, УлГТУ, 2007);
•Шестая Всероссийская научно-практическая конференция (с участием стран СНГ) (Ульяновск, УлГТУ, 2009);
•Седьмая Международная конференция «Математическое моделирование физических, экономических, технических, социальных систем и процессов» (Ульяновск, УлГУ, 2009);
• ЬХ1У научная сессия, посвященная Дню радио (Москва, 2009 г.);
Ежегодные конференции профессорско-преподавательского состава Ульяновского государственного технического университета (2007;2009).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных работ, одна из них опубликована в журнале «Инфокоммуникационные технологии», входящем в перечень ВАК РФ.
Содержание работы. В первой главе произведен анализ существующих навигационных приборов, характер и величину погрешностей их измерений. Кроме того был произведен обзор существующих методов и подходов комплексирования навигационной информации.
Вторая глава посвящена синтезу, анализу и сравнению различных алгоритмов комплексирования навигационных измерений. Приведены результаты моделирования различных схем. Произведено сравнение эффективности и анализ целесообразности использования тех или иных алгоритмов на практике.
В третьей главе приводится проектирование программного обеспечения, предназначенного для моделирования системы управления движением морских подвижных комплексов. Программное обеспечение имеет модульную архитектуру и состоит из трех основных программных комплексов: «Ком-плексирование навигационных измерений», «Моделирования морских подвижных комплексов» и «Автоматическое управление движением».
3.10. Выводы.
1. Анализ возможных вариантов построения программных комплексов показал, что наиболее эффективно задача будет решаться модульной распределенной системой, переносимой на различные программные и аппаратные платформы на уровне исходных кодов.
2. По сравнению с предыдущим программным обеспечением, создаваемым под определенную модель МПО, была достигнута универсальность в рамках широкого круга различных МПО, достигаемая за счет разработанных механизмов адаптации и конфигурации системы.
3. За счет использования достаточно низкоуровневого языка С, а так же тщательной оптимизации реализации алгоритмов удалось достичь максимального быстродействия при выполнении сложных вычислительных операций.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
В диссертации получено решение актуальной научно-технической задачи повышения точности алгоритмов комплексирования разнородных навигационных наблюдений и разработки программного комплекса для моделирования систем автоматического управления движением морских подвижных комплексов, использующих разработанные алгоритмы. Основные результаты и выводы могут быть сформулированы следующим образом.
1. Предложены и исследованы нелинейные алгоритмы комплексирования навигационных измерений, учитывающие модель движения корабля. Моделирование алгоритмов показало, что их использование позволяет значительно повысить точность определения координат корабля, снизив СКО ошибки в 1,5 -2 раза по сравнению с алгоритмом усреднения наблюдений СПС в скользящем окне.
2. Произведено сравнение нелинейных и линеаризованных оптимальных алгоритмов комплексирования. Сравнение показало, что применения нелинейных алгоритмов в стационарных условиях движения объектов приводит к уменьшению СКО ошибки на 1 — 8%. Наибольший выигрыш при использовании нелинейных алгоритмов достигается в случаях, когда линейная модель существенно отличается от нелинейной.
3. Синтезированы нелинейные алгоритмы оценивания путевого угла корабля, позволяющие снизить ошибки оценивания в 2−3 раза по сравнению с алгоритмом усреднения наблюдений СНС в скользящем окне. Разработаны и проанализированы квазиоптимальные алгоритмы оценивания путевого угла, позволяющие снизить СКО ошибки оценивания в 1.5−2 раза по сравнению с алгоритмом усреднения наблюдений СНС в скользящем окне за счет показаний компаса и инерциальной системы.
4. Произведено проектирование и разработка программного обеспечения, предназначенного для моделирования системы управления движением морских подвижных комплексов. Программное обеспечение имеет модульную архитектуру и состоит из трех основных программных комплексов: «Комплексирование навигационных измерений», «Моделирования морских подвижных комплексов» и «Автоматическое управление движением». Модели разработаны на языке С, что позволяет легко переносить их на различные программные и аппаратные платформы.
Список литературы
- Аникин A.A., Полканов A.A. Моделирование ошибок измерений спутниковой навигационной системы // Труды международной конференции «Континуальные алгебраические логики, исчисления и нейроинформатика в науке и технике». Ульяновск, 2006. Том 5.-с.6.
- Анучин О. Н., Емельянцев Г. И., Интегрированные системы ориентации и навигации для морских подвижных объектов / Под ред. В. Г. Пешехонова. -СПб.: ГНЦ РФ ЦНИИ «Электроприбор», 1999.
- Бабич О. А. Обработка информации в навигационных комплексах. М.: Машиностроение, 1991.
- Белоглазов И. Н., Джанджгава Г. И, Чигин Г. П. Основы навигации по геофизическим полям. -М.: Наука, 1985.
- Белоглазов И. Н., Казарин С. Н. Совместное оптимальное оценивание, идентификация и проверка гипотез в дискретных динамических системах. -Теория и системы управления, 1998, № 4.
- Богуславский И. А. Методы навигации и управления по неполной статистической информации. М.: Машиностроение, 1970.
- Васильев К.К., Полканов A.C. Алгоритмы совместной обработки разнородной навигационной информации: «Инфокоммуникационные технологии». Периодический научно-технический и информационно-аналитический журнал. Том 6, № 1, 2008.
- Васильев К. К. Теория автоматического управления (следящие системы): Учебное пособие. 2-е изд.- Ульяновск: УлГТУ, 2001.
- Васильев К. К., Васильев А. Н. Математическая модель движения корабля- «Современные проблемы создания и эксплуатации радиотехническихсистем»: Тез. докл. 3-й всероссийской научно-практической конференции -Ульяновск: УлГТУ, 3−4 декабря 2001. С. 98−100.
- Глобальная спутниковая радионавигационная система ГЛОНАСС/ Под ред. В. Н. Харисова, А. И. Перова, В. А. Болдина. 2-е изд. исправ. — М.: ИПРЖР, 1999.
- Дмитриев С. П. Высокоточная морская навигация. Л.: Судостроение, 1991.
- Дмитриев С. П., Кошаев Д. А. Информационный контроль и диагностика дублированных инерциальных систем. Труды XI Санкт-Петербургской международной конференции по интегрированным навигационным системам. -СПб., 2004.
- Дмитриев С. П., Осипов А. В. Фильтрационный подход к задаче контроля цнлостности спутниковой навигационной системы. Радиотехника, 2001, № 1.
- Дмитриев С. П., Пелевин А. Е. Задачи навигации и управления при стабилизации судна на траектории. СПб.: ГНЦ ЦНИИ «Электроприбор», 2002.
- Дмитриев С. П., Степанов О. А. Многоальтернативная фильтрация в задачах обработки навигационной информации. Радиотехника, 2004 г., № 7.
- Дмитриев С. П., Степанов О. А. Неинвариантные алгоритмы обработки информации инерциальных навигационных систем. Гироскопия и навигация, 2000, № 1.
- Дмитриев С. П., Степанов О. А., Кошаев Д. А. Многоканальная фильтрация и ее применение для исключения неоднозначности при позицонировании объектов с помощью вР8. Теория и системы управления, 1997, № 1.
- Дмитриев С. П., Шимелевич Л. И. Нелинейные задачи обработки навигационной информации. Л.: ЦНИИ «Румб», 1977.
- Дмитриев С.П., Колесов Н. В., Осипов A.B. Информационная надежность, контроль и диагностика навгационных систем. СПБ: ГНЦ РФ ЦНИИ «Электроприбор», 2004. — 208с
- Интегрированные инерциально-спутниковые системы навигации. Сборник статей / Под ред. В. Г. Пешехонова. Санкт-Петербург, 2001.
- Кошаев Д. А., Степанов О. А. Универсальные MATLAB программы для анализа потенциальной точности и исследования чувствительности в задачах линейной нестационарной фильтрации. — Гироскопия и навигация, 2004, № 2.
- Красовский А. А., Белоглазов И. Н., Чигин Г. П. Теория корреляционно-экстремальных навигационных систем. М.: Наука, 1979.
- Кузовков Н. Т., Салычев О. С. Инерциальная навигация и оптимальная фильтрация. -М.: Машиностроение, 1982.
- Лемешко Б.Ю. Статистический анализ одномерных наблюдений случайных величин: Программная система / Новосиб. гос. техн. ун-т. Новосибирск, 1995. 125 с.
- Лукомский Ю. А., Пешехонов В. Г., Скороходов Д. А. Навигация и управление движением судов. Учебник. СПб.: «Элмор», 2002. — 360 с.
- Лукомский Ю.А., Корчанов В. М. Управление морскими подвижными объектами. СПб: Элмор, 1996.
- Лукомский Ю. А., Чугунов В. С. Системы управления морскими подвижными объектами: Учебник Л.: Судостроение, 1988.- 272 с.
- Миронов М. А., Башаев А. В., Полосин С. А. Оптимальная оценка параметров модели авторегрессии векторных гауссовских процессов по экспериментальным данным. Радиотехника, 2002, № 7.
- Миронов М. А., Башаев А. В., Полосин С. А. Контроль целостности в бортовых системах функционального дополнения глобальных навигационных спутниковых систем. Радиотехника, 2004 г., № 7.
- Миронов М.А., Прохоров C.JI. Комплексные радионавигационные системы с раздельной обработкой сигналов. Радиотехника, 1996, № 1.
- Наместников С.М., Полканов A.C. Алгоритмы построения оценок путевого угла. // Вестник УлГТУ. Апрель-июнь (38) 2/2007 Ульяновск: УлГТУ, 2007 -С. 34−36.
- Перов А. И., Шатилов А. Ю. Сравнительный анализ характеристик двух алгоритмов комплексной вторичной обработки информации в инерциально-спутниковых навигационных системах. — Радиотехника, 2003, № 7.
- Перов А. И., Шатилов А. Ю. Эффект неустойчивости в инерциально-спутниковой навигационной системе с двухуровненвым комплексированием и некогерентным приемником СРНС. Международная НТК «Радиолокация, навигация, связь». — Воронеж, 2005, т.З.
- Перов А. И., Шатилов А. Ю.Синтез комбинированного алгоритма комплексирования на первичном и вторичном уровнях в инерциально-спутниковой системе навигации. Радиотехника, 2005, № 7.
- Развитие теории и практики автоматических систем ориентации, навигации и управления. Под ред. Ривкина С. С., Бургонского А. С., Талайковой Н. Б. Межвузовский сборник, Ленинград, 1987 г.
- Резниченко В. И., Лапшина В. И. Организация взаимодействия спутниковых и автономных навигационных средств морских объектов. Санкт-Петербург, 2004.
- Ривкин С. С. Метод оптимальной фильтрации Калмана и его применение в инерциальных навигационных системах. Л.: Судостроение. 4.1, 1973, ч.2, 1974.
- Ривкин С. С., Ивановский Р. И., Костров А. В. Статистическая оптимизация навигационных систем. Л.: Судостроение, 1976.
- Система геодезических параметров земли «Параметры Земли 1990 года» (ПЗ-90) Галазин В. Ф., Каплан Б. Л., Лебедев М. Г., Максимов В. Г., Петров Н. В., Сидорова-Бирюкова Т.Л./ Под ред. Хвостова B.B. М. Координационный научно-информационный центр, 1998.
- Соловьёв Ю. А. Комплексирование глобальных спутниковых радионавигационных систем ГЛОНАСС и GPS с другими навигационными измерителями. — Радиотехника, 1999, № 1.
- Соловьев Ю. А. Спутниковая навигация и ее приложения. -М.: Эко-Трендз, 2003. 326 с.
- Сосулин Ю. Г. Теоретические основы радиолокации радионавигации. -М.: Радио и связь, 1992.
- Степанов О. А. Методы оценки потенциальной точности в корреляциои-но-экстремальных навигационных системах. СПб.: ЦНИИ «Электроприбор», 1993.
- Степанов О. А. Приближенные методы анализа потенциальной точности в нелинейных навигационных задачах. Л.: ЦНИИ «Румб», 1986.
- Степанов О. А. Применение теории нелинейной фильтрации при решении задач обработки навигационной информации. СПб.: ГНЦ РФ ЦНИИ «Электроприбор», 1998.
- Степанов О. А. Решение задач нелинейной фильтрации на основе кусоч-но-гауссовской аппроксимации апостериорной плотности. Теория и системы управления. Изв. РАН, 2000, № 2.
- Стратонович Р. Л. Условные Марковские процессы и их применение к теории оптимального управления. -М.: МГУ, 1966.
- Сэйдж Э.П., Мэлс Дж. Теория оценивания и её применение в связи и управлении: Пер. с англ./ Под ред. Б. Р. Левина. М.: Связь, 1976.
- Тихонов В. И. Оптимальный прием сигналов. М.: Радио и связь, 1983.
- Тихонов В. И. Развитие в России оптимального оценивания случайных процессов и полей. Радиотехника, 1999, № 10.
- Тихонов В. И., Кульсан Н. К. Нелинейная фильтрация и квазикогерентный прием сигналов. -М.: Сов. радио, 1975.
- Тихонов В. И., Харисов В. Н. статистический анализ и синтез радиотехнических устройств и систем. М.: Радио и связь, 1991.
- Тучин Д. А. Кодовые измерения псевдодальности системы GPS. Модель ошибок и априорная оценка точности определения вектора положения.
- Харисов В. Н., Горев А. П. Синтез тесносвязанного алгоритма инерци-ально-спутникоывой навигации. — Радиотехника, 2000, № 7.
- Цветов М. А., Цветов А. М. Уравнения движения корабля Труды Ульяновского научного центра РАЕН — Ульяновск: УНЦНЗИТРАЕН, 2001, т. 3, вып. 1-е. 119−122.
- Челпанов И. Б., Несенюк JI. П., Брагинский М. В. Расчет характеристик навигационных гироприборов. JL: Судостроение, 1978.
- Ярлыков М. С. Применение Марковской теории нелинейной фильтрации в радиотехнике. -М.: Сов. радио, 1980.
- Ярлыков М. С. Статистическая теория радионавигации. М.: Радио и связь, 1985.
- Ярлыков М. С., Миронов М. А. Марковская теория оценивания случайных процессов. М.: Радио и связь. 1993.
- Ярлыков М.С., Базаров A.A. Оптимальное комплексирование радионавигационных измерителей на уровне обработки сигналов для каждого из них. -Радиотехника, 1991, № 5.
- Ярлыков М.С., Базаров A.A. Совмещенная аппаратура потребителей спутниковой и гиперболической радионавигационных систем. Радиотехника, 1992, № 4.
- Ярлыков М.С., Базаров A.A., Салямех С.С. Помехоустойчивый навигаци-онно-посадочный комплекс на основе спутниковой
- Ярлыков М.С., Кудинов А. Т. Повышение качества функционирования спутниковых радионавигационных систем за счет информационной избыточности. Радиотехника, 1998, № 2.
- MisraP., et al. Augmentation of GPS/LAAS with GLONASS: Performance Assessment, ION GPS-98 Proc., Nashwille, 1998.
- Методы и алгоритмы, полученные А. С. Полкановым в его диссертации, планируется использовать в дальнейшем при разработке программного обеспечения интегрированных мостиковых систем., .: ¦
- Зам. начальника КНИО-1 Ю. Л. Корноухов
- Начальник НИО-11 П. В. Былина1. О/
- Зам. главного конструктора //у- А. В. Маттис