1. - MES conference

Разработка среды моделирования
инерциальных навигационных систем
А.Н. Соловьев, А.А. Лялинский
Институт проблем проектирования в микроэлектронике РАН
Саблин А.В.
Национальный исследовательский университет «МИЭТ»
МЭС-2014
Постановка задачи
1. Широкое распространение в различных областях техники и промышленности
получили инерциальные навигационные системы (ИНС) и интегрированные
навигационные системы (ИнтНС)
2. В настоящее время зарубежной и отечественной промышленностью выпускается
достаточно большой ассортимент ИНС и приемников ГННС, из которых разработчик
может достаточно быстро «собрать» ИнтНС с требуемыми габаритно-весовыми и
стоимостными характеристиками.
3. Одним из ключевых вопросов остается оценка точности полученной системы
4. Проведенный анализ показал на отсутствие специальных «оболочек» и
программных сред, которые позволяют оперативно провести оценку точностных
характеристик для выбранной конфигурации ИНС и ИнтН.
Анализа существующих подходов к проектированию
навигационных систем
[1] S. J. Merhav, “A Nongyroscopic Inertial Measurement Unit”, J. Guidance, Vol. 5, No. 3,
May-June 1982.
[2] P.J. Klass, “Inertial Sensor Utilizes Coriolis Effect”, Aviation Week and Space Technology,
Oct. 10, 1983.
[3] B. Norling, “Accelerometers: Current and Emerging Technology”, Symposium on Kinematic
Systems in Geodesy, Surveying and Remote Sensing, Symposium No. 107, Banff, Alberta,
Canada, September 10-13, 1990.
[4] S. Merhav, Aerospace Sensor Systems and Applications, Springer-Verlag, New York, 1996
(Chap. 6, Coriolis Angular Rate Sensors).
[5] G. Sun and Q. Gu, “Accelerometer Based North Finding System”, IEEE Position, Location,
and Navigation Symposium (PLANS), March 2000.
[6] A. Soloviev, S. Gunawardena, F. Van Graas, “Mitigation of GPS Cross-Correlation Errors
using Semi-Codeless Tracking,” IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, Vol.
48, No. 1, January 2012.
[7] A. Soloviev, "Tight Coupling of GPS, Laser Scanner, and Inertial Measurements for
Navigation in Urban Environments," IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems,
Vol. 46, No. 4, October 2010.
[8] Соловьев А.Н., Алексеев В.Е., Саблин А.В. Построение навигационной инерциальной
системы на основе распределенного множества полупроводниковых акселерометров.
"Известия ВУЗов. ЭЛЕТРОНИКА". 2012, №4(96), с.72-79.
Обобщенная структура среды параметрического моделирования и
оценки точностных характеристик навигационных систем
Параметрическое проектирование:
Выбор модели
1. Выбор одной из библиотечных (заложенных в
«оболочку проектирования») моделей ИнтНС
(например, интеграция безгироскопной ИНС и
ГНС);
2. Параметрическая настройка: выбором значений
параметров заданной модели .
Выбор:
-характеристик, используемых инерциальных
сенсоров – акселерометров и гироскопов;
- характеристик используемого приемника ГНСС).
Выбор
параметров
модели
Предварительная
оценка точностных
характеристик
нет
Точность
устраивает ?
Коррекция модели
да
Коррекция параметров
Выбор параметров
эталонных траекторий
да
Оценка точности для
выбранной эталонной
траектории
Точность
устраивает ?
да
Продолжаем
оценку ?
нет
Основная цель: оценка точностных
характеристик разрабатываемой системы
Принятие решение: коррекция
параметров или смена модели
нет
Завершение параметрического
проектирования навигационной
системы
Аналитическая оценка погрешностей
инерциальной системы
Основной источник погрешностей ИНС и Б-ИНС:
интегрирование показаний сенсоров – гироскопов и
акселерометров
Проведем оценку погрешностей определения
координат на основе ИНС и ИнтНС
Погрешности сенсоров: акселерометров и гироскопов
(с учетом n-кратного интегрирования)
Высокочастотный шум сенсора (noise):
где
- высокочастотный шум в виде спектральной
мощности:
-
время и шаг интегрирования
Низкочастотный шум сенсора (bias):
ОЦЕНКА ТОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК КЛАССИЧЕСКОЙ ИНС
Расчет координат путем 2-х
кратного интегрирования
показаний акселерометров и 3-х
кратного интегрирования
показаний гироскопов приводит
к следующим оценкам
погрешности:
Итоговое выражение для оценки погрешности расчета координат на
основе традиционной ИНС имеет следующий вид:
СРАВНЕНИЕ ТОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК КЛАССИЧЕСКОЙ
ИНС И 6-И СЕНСОРНОЙ Б-ИНС
Точностные характеристик традиционной ИНС
Точностные характеристик 6-и сенсорной Б-ИНС
Основной источник погрешности: выделение составляющих
углового ускорения (
) и их последующее 4-х кратное
интегрирование
Построение 12-сенсорной модели определения
инерциальных параметров объекта
Ключевой вопрос: выбор расположения акселерометров и
ориентации их чувствительных осей
, от которых
зависит оценка
Вариант 1
Итоговые модели:
Вариант 2
Оценка точностных характеристик 12-и
сенсорной Б-ИНС
Оценка погрешностей «виртуальных
гироскопов»
Погрешность угловой ориентации
Погрешность определения координат
Сравнение точностных характеристик традиционной ИНС и
предложенной 12-ти сенсорной ИНС
Оценка погрешности для традиционной ИНС (с использованием гироскопов)
Оценка погрешности для предложенной 12-и сенсорной Б-ИНС
Формирование показаний «реальных» сенсоров на основе
моделирования движения объекта по эталонной
траектории
1. Построение эталонных траекторий, на основе которых формируются
показания инерциальных сенсоров.
2. Определение показаний сенсоров в связанной системе координат
3. Учет влияния шумовых
составляющих сенсоров
4. Итоговые показания
инерциальных сенсоров
Моделирование и расчет траектории движения
На основе показаний «реальных сенсоров» предлагаемая среда
осуществляет моделирование реальных значений траектории
движения объекта с учетом выбранной модели ИнтНС
Типовой вид результатов
моделирования, полученных на
основе показаний «реальных»
сенсоров для выбранной эталонной
траектории
Итоговая оценка точностных характеристик
навигационных систем
Оценка полученных точностных характеристик осуществляется
путем сравнения эталонных траекторий с траекториями,
рассчитанными на основе смоделированных показаний сенсоров
Типовой пример расчета
погрешностей моделирования
путем сравнения эталонной и
смоделированной траекторий
ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ПРОЕКТИРОВАНИЯ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ РАН (ИППМ РАН)
ВАРИАНТЫ РЕАЛИЗАЦИИ СРЕДЫ
МОДЕЛИРОВАНИЯ:
- локальная (приложение для Windows-среды);
- в виде веб-сайта (с доступом из Интернет).
ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ПРОЕКТИРОВАНИЯ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ РАН (ИППМ РАН)
Локальная реализация
Корневая панель среды
моделирования
Панель для задания
параметров эталонных
траекторий
Панель параметризации
Среда моделирования и верификации навигационных
систем: реализация на локальном ПК
Генератор эталонных траекторий
Варианты инерциальных систем
Среда моделирования и верификации навигационных
систем: реализация по «облачной» технологии
Заключение
1 Разработана среда параметрического проектирования и
верификации ИНС и ИнтНС, которая позволяет оперативно
проводить оценку точностных характеристик собранных
навигационных систем.
2. Предложена структура предлагаемой среды проектирования
3. Представлена реализация основных компонентов среды
проектирования.
4. Рассмотрены основные режимы среды моделирования