RU2713585C1 - Method of forming air-speed parameters of a manoeuvrable object - Google Patents
Method of forming air-speed parameters of a manoeuvrable object Download PDFInfo
- Publication number
- RU2713585C1 RU2713585C1 RU2019102387A RU2019102387A RU2713585C1 RU 2713585 C1 RU2713585 C1 RU 2713585C1 RU 2019102387 A RU2019102387 A RU 2019102387A RU 2019102387 A RU2019102387 A RU 2019102387A RU 2713585 C1 RU2713585 C1 RU 2713585C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- speed
- parameters
- air
- ann
- angles
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
- G01C23/00—Combined instruments indicating more than one navigational value, e.g. for aircraft; Combined measuring devices for measuring two or more variables of movement, e.g. distance, speed or acceleration
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Navigation (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области комплексных навигационных систем, систем управления и наведения объектов боевого назначения.The invention relates to the field of integrated navigation systems, control systems and guidance of military targets.
Известны методы измерения и калибровки датчиков таких воздушно-скоростных параметров, как воздушная скорость, абсолютная барометрическая высота, углы атаки и скольжения.Known methods for measuring and calibrating sensors of such air-speed parameters as airspeed, absolute barometric altitude, angles of attack and slip.
Некоторые из них приведены в учебном пособии И.М. Пашковского, В.А. Леонова, Б.К. Поплавского «Летные испытания самолетов и обработка результатов испытаний», Москва, «Машиностроение», 1985 [1] (стр. 138-153).Some of them are given in I.M. Pashkovsky, V.A. Leonova, B.K. Poplavsky "Flight tests of aircraft and processing of test results", Moscow, "Engineering", 1985 [1] (p. 138-153).
В частности, в [1] представлены два метода калибровки приемника воздушного давления (ПВД), а именно:In particular, in [1] two methods for calibrating an air pressure receiver (LDPE) are presented, namely:
- метод калибровки по скорости;- speed calibration method;
- барометрический метод калибровки (стр. 146-147),- barometric calibration method (p. 146-147),
а также методы предварительной калибровки датчика углов атаки и скольжения (ДУАС) и последующего формирования истинных углов атаки и скольжения самолета (стр. 152-153).as well as methods for pre-calibrating the sensor of angles of attack and slip (DUAS) and the subsequent formation of the true angles of attack and slip of the aircraft (p. 152-153).
Основным недостатком, присущим всем перечисленным методам, основанным на предварительной калибровке ПВД, системы воздушных сигналов (СВС) и ДУАС и последующем формировании всего массива текущей воздушно-скоростной информации является использование сугубо индивидуального, несистемного подхода ее формирования, не предполагающего проведения совместной обработки всего многообразия имеющейся на борту текущей навигационной, пилотажной и первичной воздушно-скоростной информации. Следствием такого подхода является неприемлемая точность измерения рассматриваемых параметров при их динамичном изменении в условиях маневренного полета, включая и режим малых скоростей.The main drawback inherent in all of the above methods, based on the preliminary calibration of the LDPE, the air signal system (ATS) and the DUAS and the subsequent formation of the entire array of current airspeed information, is the use of a purely individual, non-systematic approach to its formation, which does not involve joint processing of the entire variety of available aboard current navigation, flight and primary airspeed information. The consequence of this approach is the unacceptable accuracy of the measurement of the considered parameters when they are dynamically changed in conditions of maneuverable flight, including the low-speed mode.
В монографии В.П. Селезнева «Навигационные устройства», Москва, «Машиностроение», 1974 [2] (стр. 266-278, 545-551) представлен способ формирования воздушно-скоростных параметров, основанный на совместной обработке навигационной и пилотажной информации и предполагающий реализацию элементов комплексной обработки измеряемых СВС и ДУАС модуля воздушной скорости и углов его текущей ориентации относительно связанной с объектом системы координат (ССК) Oxyz, аналитически формируемого модуля скорости ветра и неизвестных, подлежащих оцениванию, углов его пространственной ориентации относительно горизонтированной системы координат (ГСК) Охгугzг объекта, а также измеряемых в режиме инерциально-допплеровской коррекции текущих углов истинного курса, крена и тангажа объекта, составляющих и модуля его путевой скорости и углов его ориентации относительно ГСК, по результатам проведения которой формируют полный перечень воздушно-скоростной информации.In the monograph of V.P. Selezneva “Navigation Devices”, Moscow, “Mashinostroenie”, 1974 [2] (pp. 266-278, 545-551) presents a method of forming air-speed parameters based on the joint processing of navigation and flight information and involving the implementation of elements of complex processing of measured SHS and DUAS of the airspeed module and the angles of its current orientation with respect to the Oxyz coordinate system (SSC) associated with the object, the analytically generated wind speed module and the unknown, to be estimated, its spatial angles orientation relative to the horizontal coordinate system (HSC) Oh d y z z g of the object, as well as measured in the mode of inertial-Doppler correction of the current angles of the true course, roll and pitch of the object, its components and the module of its ground speed and its orientation angles relative to the HSC, according to the results conducting which form a complete list of airspeed information.
По своей технической сути указанный способ формирования воздушно-скоростных информации может быть принят в качестве наиболее близкого аналога предлагаемого решения.In its technical essence, this method of forming air-speed information can be adopted as the closest analogue of the proposed solution.
Его основными недостатками являются:Its main disadvantages are:
1. Отсутствие математического описания геометрии относительного размещения на объекте ПВД из состава СВС и инерциальной системы и, как следствие, неучет кинематической разницы путевой скорости, измеряемой ИНС в месте ее штатного размещения и ее текущего значения в месте размещения ПВД, используемой как для математически корректного описания составляющих и модуля воздушной скорости, так и для формирования адекватных и физически обоснованных уравнений связи воздушно-скоростных и инерциальных параметров для общего случая маневренного полета и пространственной модели ветра.1. The lack of a mathematical description of the geometry of the relative location on the LDPE object from the SHS and the inertial system and, as a result, the kinematic difference in the ground speed measured by the ANN at the place of its standard location and its current value at the LDPE location used as a mathematically correct description components and the airspeed module, and for the formation of adequate and physically justified equations for the connection of air-speed and inertial parameters for the general case of maneuverable flight and spatial model of the wind.
2. Отсутствие системного математического описания всего перечня воздушно-скоростных параметров и характера изменения ошибок их измерения, необходимых как для эффективного оценивания и коррекции первично измеренной воздушно-скоростной информации, так и для ее восстановления в режиме малых скоростей и висения.2. The lack of a systematic mathematical description of the entire list of air-speed parameters and the nature of the change in the errors of their measurement, necessary both for the effective evaluation and correction of the initially measured air-speed information, and for its recovery in the low-speed and hover mode.
3. Использование в предлагаемом решении отсутствующего в прототипе приема формирования адекватных и физически обоснованных уравнений связи является достаточно эффективным инструментом при синтезе процедур оптимального оценивания, позволяет достаточно просто получить соответствующие выражения для входных сигналов оптимального фильтра-идентификатора, определить вид матрицы его наблюдения и автоматизировать процедуру учета всех составляющих ошибок, входящих в сигналы измерения.3. The use in the proposed solution of the absent prototype of the formation of adequate and physically justified communication equations is a fairly effective tool in the synthesis of optimal estimation procedures, it is quite simple to obtain the appropriate expressions for the input signals of the optimal filter-identifier, determine the type of matrix for its observation and automate the accounting all components of errors included in the measurement signals.
Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей современной авиационной техники и повышение точности и эффективности ее боевого применения во всех условиях эксплуатации.The technical result of the invention is to expand the functionality of modern aircraft and increase the accuracy and efficiency of its combat use in all operating conditions.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе формирования воздушно-скоростных параметров маневренного объекта, основанном на совместной обработке первичной воздушно-скоростной информации, включающей измеряемые системой воздушных сигналов (СВС) и датчиком углов атаки и скольжения (ДУАС) текущие значения модуля воздушной скорости V и углов атаки α и скольжения β его ориентации относительно связанной с объектом системы координат (ССК) Oxyz, текущее расчетное значение модуля u скорости ветра и неизвестные, подлежащие оцениванию, функциональные параметры cosΔψB, sinΔψB, αB его пространственной ориентации относительно горизонтированной системы координат (ГСК) OxГуГzГ объекта, и формируемых по результатам инерциально-доплеровской коррекции углов истинного курса ψи, крена γ и тангажа υ объекта, составляющих и модуля его путевой скорости с определяющими его текущую пространственную ориентацию относительно ГСК OxГyГzГ объекта расчетными значениями углов сноса αСН и наклона траектории αНТ, по результатам которой формируют полный массив воздушно-скоростной информации, дополнительно используемую модель ошибок воздушно-скоростных параметров расширяют за счет включения в нее математического описания координат Δn, Δh, Δе размещения (на объекте) приемника воздушного давления (ПВД) относительно инерциальной навигационной системы (ИНС), которое представляют в виде системы трех взаимосвязанных дифференциальных уравнений первого порядка в проекциях на оси географического сопровождающего трехгранника (ГСТ) ONHE, чем обеспечивают корректное формирование системы из трех физически обоснованных и математически строгих уравнений связи, на основе которых получают расчетные выражения для входных сигналов z1, z2, z3 оптимального фильтра-идентификатора воздушно-скоростных параметров и элементов hij его матрицы наблюдения, реализуя замкнутую, встроенную в структуру оптимального оценивания процедуру автоматического учета кинематической разницы путевой скорости, измеряемой комплексной инерциально-доплеровской системой в месте размещения ИНС и ее значением, соответствующим месту установки ПВД, кардинально сужая круг возможных причин расходимости процедуры оптимального оценивания воздушно-скоростных параметров в штатных для СВС и ДУАС режимах маневренного полета, дополнительно, при формировании воздушно-скоростных уравнений связи используют прием замены идеальных значений xj воздушно-скоростных параметров их физически адекватным представлением вида и после переформатирования полученных уравнений связи приводят их к виду, удобному для формирования сигналов измерения zi и элементов hij (i=1-3, у=1-13) матрицы наблюдения, для которых характерно построчное выполнение равенств вида а при математическом описании ошибок измерения воздушно-скоростных параметров, типа ΔV, Δα, Δβ, используют легко реализуемые и подкрепленные опытными данными модели, которые, в совокупности с моделью, описывающей характер изменения пространственной ориентации скорости ветра, обеспечивают гарантированную наблюдаемость, быстродействие и точность оптимального оценивания всех воздушно-скоростных параметров в штатных для СВС и ДУАС режимах маневренного полета, при этом, измеряемую ИНС навигационную и пилотажную информацию формируют в процессе и по результатам инерциально-доплеровского оценивания, при реализации которого традиционную для ИНС модель ошибок расширяют за счет включения в нее дифференциальных уравнений, описывающих характер изменения координат Δξ, Δη, Δζ, размещения ИНС относительно доплеровского измерителя составляющих скорости (ДИСС) в проекциях на оси опорного трехгранника гироплатформы ИНС Оξηζ, чем обеспечивают математически строгое описание комплексной инерциально-доплеровской системы, и устраняя одну из основных причин расходимости ее фильтра в маневренном полете, достигают повышенные характеристики точности оценивания ошибок ИНС и коррекции ее выходной информации, при реализации которой, также, как и при синтезе самой процедуры оптимального инерциально-доплеровского оценивания, основанной на комплексной обработке счисленных ИНС горизонтальных составляющих Vx, Vy абсолютной линейной скорости объекта, географической широты его текущего местоположения, угла азимутальной ориентации опорного трехгранника Оξηζ ее гироплатформы, измеренных углов гироскопического курса крена и тангажа объекта, и доплеровских составляющих путевой скорости, вместо идеальных значений инерциальных параметров xj используют их адекватное представление вида и кинематические соотношения связи ошибок основной тройки навигационных и пилотажных параметров с малыми углами αх, αу, αz рассогласования реального и опорного трехгранников гироплатформы ИНС, а сравнивая счисленные ИНС горизонтальные составляющие Vx, Vy абсолютной линейной скорости и аналогичные комплексные компоненты абсолютной скорости, получают скоростные инерциально-доплеровские уравнения связи, из которых в функции измеренных навигационных и пилотажных параметров ИНС, формируют расчетные выражения для входных сигналов фильтра-идентификатора и элементов его матрицы наблюдения, чем обеспечивают синтез математически замкнутой, унифицированной процедуры автоматического, встроенного в структуру оптимального оценивания, учета ошибок счисления/измерения навигационной и пилотажной информации и ее эффективной коррекции как в процессе оптимального оценивания ошибок ИНС, так и по результатам прогноза, при этом восстановление полного массива воздушно-скоростной информации в режиме малых скоростей и висения осуществляют при справедливости гипотезы о стационарности скорости ветра и реализуют посредством решения обратной задачи пространственного треугольника скоростей.The specified technical result is achieved due to the fact that in the method of forming air-speed parameters of a maneuverable object, based on the joint processing of primary air-speed information, including the current values of the air module measured by the system of air signals (SHS) and the sensor of angles of attack and slip (DUAS) velocity V and angle of attack α and slip β of its orientation relative to the coordinate system (SSC) Oxyz associated with the object, the current calculated value of the module u of wind speed and unknown evaluation, the functional parameters cosΔψ B , sinΔψ B , α B of its spatial orientation relative to the horizontal coordinate system (HSC) Ox Г at Г z Г of the object, and formed by the results of inertial-Doppler correction of the angles of the true course ψ and , roll γ and pitch υ facility constituting and module its ground speed with its current spatial orientation relative to the HSC Ox G y G z G of the object with calculated values of the drift angles α SN and the slope of the trajectory α NT , the results of which form a complete array of air-speed information, the additionally used model of errors of air-speed parameters is expanded due to the inclusion in it of a mathematical description of the coordinates Δn, Δh, Δе of the location (on the object) of the air pressure receiver (LDPE) relative to the inertial navigation system (ANN), which is They are used as a system of three interconnected first-order differential equations in projections on the axis of the geographic accompanying trihedron (GTS) ONHE, which ensures the correct formation of a system of three physically sound and mathematically rigorous coupling equations, based on which the calculated expressions for input signals z 1 , z are obtained 2, z 3, the optimum filter identifier air speed parameters and elements h ij of the matrix of observations, realizing a closed, integrated in the structure of the optimal estimation proce uru of automatic accounting of the kinematic difference in ground speed measured by the integrated inertial-Doppler system at the location of the ANN and its value corresponding to the location of the LDPE, drastically narrowing the range of possible reasons for the divergence of the procedure for the optimal estimation of air-speed parameters in standard maneuverable flight modes for ASF and DUAS, additionally, the formation of air-speed communication using reception equations replace ideal values x j airborne velocity parameters them physically hell cotton representation of the form and after reformatting the obtained communication equations, they bring them to a form convenient for generating measurement signals z i and elements h ij (i = 1-3, y = 1-13) of the observation matrix, which are characterized by row-wise fulfillment of equalities of the form and in the mathematical description of errors in measuring air-speed parameters, such as ΔV, Δα, Δβ, models that are easily implemented and supported by experimental data are used, which, together with a model describing the nature of the change in the spatial orientation of the wind speed, provide guaranteed observability, speed and accuracy of the optimal estimation of all air-speed parameters in standard maneuverable flight modes for the ASF and DUAS, while the navigation and flight information measured by the ANN is generated in process and according to the results of the inertial-Doppler estimation, during the implementation of which the error model traditional for the ANN is expanded by including differential equations describing the nature of the coordinate changes Δξ, Δη, Δζ, the location of the ANN relative to the Doppler meter of velocity components (DISS) in projections on the axis of the supporting trihedral of the ANN gyro platform Оξηζ, which provides a mathematically rigorous description of the complex inertial-Doppler system, and eliminating one of the main reasons for the divergence of its filter in anevrennom flight reach elevated characteristics estimation accuracy INS errors and correction of its output information, the implementation of which, as well as in the synthesis of the procedure the optimal inertial-Doppler estimation based on complex processing numeral ANN horizontal components V x, V y absolute linear velocity latitude its current location, angle azimuthal orientation of the supporting trihedral Оξηζ of its gyro platform, the measured angles of the gyroscopic course roll and pitch object, and Doppler components ground speed, instead of ideal values of inertial parameters x j use their adequate representation of the form and kinematic relations of the relation of errors of the main three navigation and aerobatic parameters with small angles α x , α y , α z the mismatch between the real and the reference trihedra of the ANS gyro platform, and comparing the calculated ANS horizontal components V x , V y of the absolute linear velocity and similar complex components absolute speed, speed inertial-Doppler communication equations are obtained, from which the functions of the measured navigation and flight parameters of the ANN are used to form the calculated expressions for the input signals of the filter-identifier and the elements of its observation matrix, thereby providing a synthesis of a mathematically closed, unified automatic procedure built into the structure optimal assessment, accounting for calculation / measurement errors of navigation and flight information and its effective correction as in the process of optimal on the estimation of ANN errors and according to the forecast results, while restoring the full array of air-speed information in the low-speed and hover mode, the hypotheses of the stationary wind speed are carried out with validity and implemented by solving the inverse problem of the spatial velocity triangle.
Приведем перечень и описание фигур, которые потребуются при осуществлении предлагаемого изобретения.Here is a list and description of the figures that will be required in the implementation of the invention.
На фиг. 1 приведена взаимная ориентация географического сопрвождающего трехгранника (ГСТ) ONHE и горизонтированной системы координат (ГСК) OxГyГzГ объекта.In FIG. Figure 1 shows the relative orientation of the geographic accompanying trihedron (GTS) ONHE and the horizontal coordinate system (HSC) Ox Г y Г z Г of the object.
Их рассогласование определяется углом истинного курса ψ объекта.Their mismatch is determined by the angle of the true course ψ of the object.
Переход от осей ГСТ ONHE к осям ГСК OxГyГzГ осуществляется посредством поворота на угол ψ с угловой скоростью The transition from the axes of the GTS ONHE to the axes of the HSC Ox Г y Г z Г is carried out by rotation through the angle ψ with the angular velocity
Приведенное на фиг. 1 направление отсчета угла ψ и угловой скорости является положительным.Referring to FIG. 1 reference direction of the angle ψ and angular velocity is positive.
На фиг. 2 приведена взаимная ориентация ГСК OxГyГzГ и связанной с объектом системы координат (ССК) Oxyz.In FIG. 2 shows the relative orientation of the HSC Ox Г y Г z Г and the coordinate system (SSC) Oxyz associated with the object.
Их рассогласование определяется углами тангажа υ и крена γ объекта.Their mismatch is determined by the pitch angles υ and roll γ of the object.
Переход от осей ГСК OxГyГzГ к осям Oxyz осуществляется посредством двух последовательных поворотов на углы υ и γ с угловыми скоростями и соответственно.The transition from the HSC axes Ox Г y Г z Г to the Oxyz axes is carried out by means of two successive rotations through the angles υ and γ with angular velocities and respectively.
Приведенное на фиг. 2 направление отсчета углов υ и γ и угловых скоростей и является положительным.Referring to FIG. 2 reference direction of angles υ and γ and angular velocities and is positive.
На фиг. 3 приведена взаимная ориентация ГСК OxГyГzГ и траекторией системы координат (ТСК) OxTyTzT. Их рассогласование определяется углами сноса αСН и наклона траектории αНТ.In FIG. Figure 3 shows the relative orientation of the HSC Ox Г y Г z Г and the trajectory of the coordinate system (TSC) Ox T y T z T. Their mismatch is determined by the drift angles α CH and the slope of the trajectory α NT .
Переход от осей ГСК OxГyГzГ к осям ТСК OxГyГzГ осуществляется посредством двух последовательных поворотов на углы αСН и αНТ с угловыми скоростями и соответственно.Transition from GSK axes Ox r y r z r to the axes Ox TSK G y r z r is performed by two successive rotations through angles α and α CH angular velocities with HT and respectively.
Приведенное на фиг. 3 направление отсчета углов αСН и αНТ и угловых скоростей и является положительным.Referring to FIG. 3 direction of reference angles α SN and α NT and angular velocities and is positive.
Дополнительно следует отметить, что с осью OxT ТСК связан вектор путевой скорости объекта.In addition, it should be noted that a vector is associated with the axis Ox T TSC ground speed of the object.
На фиг. 4 приведена взаимная ориентация скоростной системы координат СкСК OxCyCzC и ССК Oxyz.In FIG. Figure 4 shows the relative orientation of the velocity coordinate system of the CSCS Ox C y C z C and the CSC Oxyz.
Рассогласование указанных систем координат определяется углами скольжения β и атаки α.The mismatch of these coordinate systems is determined by the slip angles β and attack α.
Переход от осей СкСК OxCyCzC к осям ССК Oxyz осуществляется посредством двух последовательных поворотов на углы β и α с угловыми скоростями и соответственно.The transition from the axes of the CCS of Ox C y C z C to the axes of the CCS of Oxyz is carried out by means of two successive turns at angles β and α with angular velocities and respectively.
Приведенное на фиг. 4 направление отсчета углов β и α и угловых скоростей и является положительным.Referring to FIG. 4 reference direction of angles β and α and angular velocities and is positive.
С осью ОхС СкСК связан вектор воздушной скорости объекта.On the x-axis vector C is associated SkSK airspeed object.
На фиг. 5 приведена взаимная ориентация ГСК OxГyГzГ и системы координат, связанной с вектором скорости ветра (ВСК) OxByBzB.In FIG. 5 shows the relative orientation of the HSC Ox Г y Г z Г and the coordinate system associated with the vector wind speed (VSC) Ox B y B z B.
Рассогласование указанных систем координат определяется курсовым углом вектора скорости ветра ψB и вертикальным углом его наклона αB к плоскости горизонта OxГzГ.The mismatch of these coordinate systems is determined by the directional angle of the wind velocity vector ψ B and the vertical angle of its inclination α B to the horizon plane Ox Г z Г.
Переход от осей ГСК OxГyГzГ к осям ВСК OxByBzB осуществляется посредством двух последовательных поворотов на углы ψB и αB с угловыми скоростями и соответственно.The transition from the axes of the HSC Ox G y G z G to the axes of the HSC Ox B y B z B is carried out by means of two successive turns at the angles ψ B and α B with angular velocities and respectively.
Приведенное на фиг. 5 направление отсчета углов ψB и αB и угловых скоростей и является положительным.Referring to FIG. 5 reference direction of angles ψ B and α B and angular velocities and is positive.
Вектор скорости ветра связан с осью OxB ВСК OxByBzB.Wind speed vector connected to the Ox B axis of the BSC Ox B y B z B.
На фиг. 6 приведен пространственный треугольник скоростей, сторонами которого являются вектор воздушной скорости, вектор путевой скорости объекта и вектор скорости ветра. Для указанного треугольника скоростей справедливы векторные выражения вида:In FIG. Figure 6 shows the spatial velocity triangle whose sides are the vector airspeed vector ground speed object and vector wind speed. For the indicated velocity triangle, vector expressions of the form are valid:
На фиг. 6 приняты следующие обозначения для углов между векторами In FIG. 6, the following notation is used for angles between vectors
Приведенное выше 1-ое векторное выражение соответствует определению воздушной скорости, 2-ое является следствием 1-го.The first vector expression given above corresponds to the definition of airspeed; the second is a consequence of the first.
На фиг. 7 приведена взаимная ориентация ГСТ ONHE и ОТГП ИНС Оξηζ.In FIG. 7 shows the relative orientation of the GTS ONHE and the OGPN ANN Oξηζ.
Переход от осей ГСТ ONHE к осям ОТГП ИНС Oξηζ осуществляется посредством поворота на угол χ азимутальной ориентации ОТГП ИНС.The transition from the axes of the GTS ONHE to the axes of the OTGP ANN Oξηζ is carried out by rotation through the angle χ of the azimuthal orientation of the OTGP ANN.
Приведенное на фиг. 7 направление отсчета угла χ и угловой скорости является положительным.Referring to FIG. 7 reference direction of the angle χ and angular velocity is positive.
На фиг. 8 приведена взаимная ориентация ОТГП ИНС Oξηζ ССК Oxyz.In FIG. Figure 8 shows the mutual orientation of the OTGP ANN Oξηζ SSK Oxyz.
Их рассогласование определяется углами гироскопического курса ψг, тангажа υ и крена γ объекта.Their mismatch is determined by the angles of the gyroscopic course ψ g , pitch υ and roll γ of the object.
Переход от осей ОТГП Oξηζ к осям ССК Oxyz осуществляется посредством трех последовательных поворотов на углы ψг, υ и γ с угловыми скоростями соответственно.The transition from the axes of the OGP Oξηζ to the axes of the SSK Oxyz is carried out by means of three successive rotations through the angles ψ g , υ and γ with angular velocities respectively.
Приведенное на фиг. 8 направление отсчета углов ψг, υ и γ и угловых скоростей является положительным.Referring to FIG. 8 reference direction of angles ψ g , υ and γ and angular velocities is positive.
С целью раскрытия физической и математической сути предлагаемого способа формирования воздушно-скоростных параметров приведем прямые и обратные векторно-матричные преобразования, связывающие представленные на фиг. 1-5, 7, 8 системы координат, и вид определяющих их матриц.In order to disclose the physical and mathematical essence of the proposed method for forming air-speed parameters, we present the direct and inverse vector-matrix transformations linking those shown in FIG. 1-5, 7, 8 coordinate systems, and the form of the matrices defining them.
В соответствии с фиг. 1, векторно-матричные выражения, связывающие компоненты произвольного вектора в проекциях на оси ГСК OxГyГzГ и ГСТ ONHE имеют следующий вид:In accordance with FIG. 1, the vector-matrix expressions relating the components of an arbitrary vector in the projections on the axis of the HSC Ox Г y Г z Г and ГТС ONHE have the following form:
Матрица Г преобразования (1), в соответствии с фиг. 1, равна:The transformation matrix G (1), in accordance with FIG. 1 is equal to:
Здесь и далее под «с» следует понимать косинус, а под «s» - синус соответствующего угла.Hereinafter, “s” means cosine, and “s” - sine of the corresponding angle.
При этом матрица ГТ обратного преобразования (2), являющаяся транспонированной по отношению к матрице Г (3), будет равна:Moreover, the matrix T of the inverse transformation (2), which is transposed with respect to the matrix T (3), will be equal to:
Прямое и обратное преобразования, связывающие компоненты произвольного вектора в проекциях на оси ГСК OxГyГzГ и ССК Oxyz (фиг. 2), будут иметь следующий вид:The direct and inverse transformations connecting the components of an arbitrary vector in the projections on the HSC axis Ox Г y Г z Г and ССК Oxyz (Fig. 2) will have the following form:
где матрица S и транспонированная ей матрица ST, в соответствии с фиг. 2, равны:where the matrix S and the matrix S T transposed to it, in accordance with FIG. 2 are equal to:
Аналогично, прямое и обратное векторно-матричные преобразования для компонент произвольного вектора в проекциях на оси ГСК OxГyГzГ и ТСК OxTyTzT (фиг. 3) будут иметь следующий вид:Similarly, the direct and inverse vector-matrix transformations for the components of an arbitrary vector in the projections on the HSC axis Ox Г y Г z Г and ТСК Ox T y T z T (Fig. 3) will have the following form:
где матрицы Т и ТТ, в соответствии с фиг. 3, будут равны:where the matrices T and T T , in accordance with FIG. 3 will be equal to:
Прямое и обратное векторно-матричные преобразования для компонент произвольного вектора в осях СкСК OxCyCzC и ССК Oxyz (фиг. 4) имеют следующий вид:The direct and inverse vector-matrix transformations for the components of an arbitrary vector in the axes of the SSC Ox C y C z C and the SSC Oxyz (Fig. 4) have the following form:
где матрицы С и СТ, в соответствии с фиг. 4, будут равны:where matrices C and C T , in accordance with FIG. 4 will be equal to:
Для систем координат, приведенных на фиг. 5, прямое и обратное векторно-матричные преобразования для проекций произвольного вектора будут иметь следующий вид:For the coordinate systems shown in FIG. 5, the direct and inverse vector-matrix transformations for the projections of an arbitrary vector will have the following form:
где матрица В и транспонированная матрица ВТ, в соответствии с фиг. 5, равны:where matrix B and transposed matrix B T , in accordance with FIG. 5 are equal:
Представляется целесообразным курсовой угол ветра ψВ определять, как:It seems appropriate to determine the course wind angle ψ B to determine how:
где ΔψВ - угол, определяющий направление скорости ветра относительно горизонтальной составляющей путевой скорости объекта.where Δψ B is the angle that determines the direction of the wind speed relative to the horizontal component of the ground speed of the object.
Векторно-матричное выражение для расчета компонент произвольного вектора в проекциях на оси ССК Oxyz по известным его составляющим в осях ОТГП ИНС Оξηζ и обратное ему выражение имеют вид:The vector-matrix expression for calculating the components of an arbitrary vector in the projections on the axis of the SSC Oxyz according to its known components in the axes of the OTGP ANN Oξηζ and its inverse expression are:
где матрица S0 и транспонированная ей матрица , в соответствии с фиг. 8, будут равны:where the matrix S 0 and the matrix transposed to it in accordance with FIG. 8 will be equal to:
Векторно-матричное выражение для расчета компонент произвольного вектора в проекциях на оси ОТГП ИНС Оξηζ, по известным его составляющим в проекциях на оси ГСТ ONHE и обратное ему выражение будут иметь вид:The vector-matrix expression for calculating the components of an arbitrary vector in the projections on the axis of the OTGP ANN Oξηζ, according to its known components in the projections on the axis of the GTS ONHE and its inverse expression will look like:
где матрица G и транспонированная ей матрица GT, в соответствии с фиг. 7, равны:where the matrix G and the matrix G T transposed to it, in accordance with FIG. 7 are equal to:
После приведенного выше описания систем координат, определяющих ориентацию векторов воздушной и путевой скорости объекта, а также скорости ветра , получим выражения для направляющих косинусов между рассматриваемыми векторами и тем самым определим косинусы углов δ1, δ2, δ3, пространственного треугольника скоростей (фиг. 6). Это достаточно просто можно сделать, предварительно получив соответствующие векторно-матричные соотношения между векторами After the above description of coordinate systems that determine the orientation of the vectors of air and way object speed as well as wind speed , we obtain expressions for the directing cosines between the vectors under consideration and thereby determine the cosines of the angles δ 1 , δ 2 , δ 3 , of the spatial velocity triangle (Fig. 6). This can be done quite simply by first obtaining the corresponding vector-matrix relations between the vectors
Для этого, в векторно-матричное выражение (14) вместо вектора подставим его значение, определяемое выражением (5). В результате получим следующее полезное соотношение:To do this, in the vector-matrix expression (14) instead of the vector we substitute its value defined by expression (5). As a result, we obtain the following useful ratio:
Подставим в указанное выражение вместо вектора его значение, определяемое векторно-матричным выражением (10). Получим искомое соотношение вида:We substitute the vector into the specified expression its value determined by the vector-matrix expression (10). We obtain the desired ratio of the form:
Элемент первой строки и первого столбца матрицы CTSTT (23) определяет косинус угла между векторами то есть сδ1.The element of the first row and first column of the matrix C T ST T (23) determines the cosine of the angle between the vectors i.e. cδ 1 .
Если в полученное выше векторно-матричное выражение (22) вместо вектора подставить его значение, определяемое выражением (18), получим 2-ое искомое соотношение:If in the vector-matrix expression (22) obtained above, instead of the vector substitute its value defined by expression (18), we obtain the second desired ratio:
Элемент первой строки и первого столбца полученной матрицы CTSBT определяет косинус угла между векторами воздушной скорости и скорости ветра Косинус смежного с ним угла, который является внутренним углом пространственного треугольника скоростей, будет равен The element of the first row and first column of the resulting matrix C T SB T determines the cosine of the angle between the airspeed vectors and wind speed The cosine of the angle adjacent to it, which is the internal angle of the spatial velocity triangle, will be equal to
Для получения 3-го векторно-матричного соотношения подставим в правую часть выражения (9) вместо вектора его значение, определяемое выражением (18).To obtain the 3rd vector-matrix relation, we substitute the vector in the right side of expression (9) its value defined by expression (18).
В результате получим простое векторно-матричное соотношение, связывающее два вектора Оно имеет вид:As a result, we obtain a simple vector-matrix relation connecting two vectors It has the form:
Учитывая, что вектор путевой скорости и вектор скорости ветра ориентированы соответственно вдоль осей OxT и OxB, следовательно, косинус угла между векторами путевой скорости и скорости ветра будет определяться элементом первой строки и первого столбца матрицы ТВТ.Given that the ground velocity vector and wind speed vector are oriented along the axes Ox T and Ox B , respectively, therefore, the cosine of the angle between the path velocity vectors and wind speed will be determined by the element of the first row and the first column of the matrix TV T.
Раскрывая соответствующие элементы матриц векторно-матричных соотношений (23), (24), (25), получим искомые выражения для направляющих косинусов сδ1. cδ2, сδ3. Приведем их:Opening the corresponding elements of the matrices of vector-matrix relations (23), (24), (25), we obtain the desired expressions for the direction cosines cδ 1 . cδ 2 , cδ 3 . We give them:
Анализ выражений (26) свидетельствует о том, что единственным углом, косинус которого, в штатном режиме полета может быть вычислен с точностью, определяемой ошибками измерения углов атаки и скольжения, является угол δ1 между векторами воздушной и путевой скорости (фиг. 6).An analysis of expressions (26) indicates that the only angle whose cosine in the normal flight mode can be calculated with accuracy determined by errors in measuring the attack and slip angles is the angle δ 1 between the air and ground velocity vectors (Fig. 6).
Поэтому в указанном режиме полета, когда измеряемая СВС и ДУАС информация достоверна и выдается с соответствующим признаком, выражение для сδ1 (26) может быть использовано по его прямому назначению для грубого расчета модуля скорости ветра Therefore, in the indicated flight mode, when the measured SHS and DUAS information is reliable and is issued with the corresponding sign, the expression for cδ 1 (26) can be used for its intended purpose for a rough calculation of the wind speed module
где и - измеренные модули воздушной и приборной скорости.Where and - measured air and instrument speed modules.
Следует отметить, что указанный вывод справедлив для случая, когда ИНС функционирует в режиме инерциально-доплеровской коррекции.It should be noted that this conclusion is valid for the case when the ANN operates in the inertial-Doppler correction mode.
При этом выражения для сδ2 и сδ3, после приближенного вычисления их текущих значений путем решения пространственного треугольника скоростей, можно было бы использовать в качестве уравнений связи при разработке процедуры оптимального оценивания и расчета воздушно-скоростных параметров.Moreover, the expressions for cδ 2 and cδ 3 , after approximate calculation of their current values by solving the spatial velocity triangle, could be used as communication equations in the development of the procedure for optimal estimation and calculation of air-speed parameters.
Однако, учитывая, что перечень оцениваемых при этом параметров ограничен ошибками измерения углов атаки и скольжения и углами пространственной ориентации скорости ветра (26), представляется целесообразным вообще отказаться от их какого-либо дальнейшего использования.However, taking into account that the list of parameters evaluated in this case is limited by errors in measuring the angles of attack and slip and the angles of the spatial orientation of the wind speed (26), it seems advisable to completely abandon their further use.
Тем более, что помимо полученных выше выражений (26), важное теоретическое и практическое значение при разработке унифицированных математических процедур оптимального оценивания всего перечня ошибок воздушно-скоростных параметров имеют уравнения, которые могут быть получены посредством приведения составляющих воздушной скорости в связанных с объектом осях к осям скоростной системы координат.Moreover, in addition to the expressions obtained above (26), equations that can be obtained by reducing the air velocity components in the axes associated with the object to the axes have important theoretical and practical value in the development of unified mathematical procedures for optimal estimation of the entire list of errors of air-speed parameters speed coordinate system.
Указанные уравнения, которые, в отличие от выражений (26), действительно, представляют из себя уравнения связи, в соответствии с фиг. 4, имеют вид:These equations, which, in contrast to expressions (26), are indeed the coupling equations in accordance with FIG. 4, have the form:
Исключительно всегда, все физически обоснованные уравнения связи справедливы для идеальных значений входящих в них параметров.Exceptionally always, all physically justified constraint equations are valid for ideal values of the parameters included in them.
Но идеальные значения ряда, представляющих интерес параметров, и, прежде всего, воздушно-скоростных, как правило, либо вообще неизвестны, либо известны их текущие, ошибочно измеренные значения где под в рассматриваемом случае следует понимать измеренные СВС и ДУАС значения параметров But the ideal values of a series of parameters of interest, and, above all, air-speed ones, are usually either not known at all, or their current, erroneously measured values are known where under in this case, the measured values of the SHS and DUAS parameters should be understood
При этом задача оптимального оценивания ставится так, чтобы ее решение сводилось к определению как текущих ошибок Δxj ошибочно измеренных сигналов так и априори неизвестных параметров, определяющих ориентацию скорости ветра.In this case, the problem of optimal estimation is posed so that its solution is reduced to the determination of the error Δx j of erroneously measured signals as current and a priori unknown parameters that determine the orientation of the wind speed.
Формально, и те, и другие входят в перечень подлежащих оптимальному оцениванию параметров Δxj.Formally, both of them are included in the list of parameters Δx j subject to optimal estimation.
Математический прием, который позволяет решить указанную задачу, предполагает замену входящих в уравнение связи идеальных параметров xj их физически равноценными значениями вида The mathematical technique that allows us to solve this problem involves replacing the ideal parameters x j included in the coupling equation with their physically equivalent values of the form
После чего указанные уравнения связи переформатируют таким образом, чтобы в их правой части были сгруппированы члены, зависящие от измеряемых сигналов а в левой - представленные в функции ошибок измерения Δxj и априори неизвестных параметров.Then, the indicated communication equations are reformatted so that the terms depending on the measured signals are grouped in their right-hand side and on the left, Δx j and a priori unknown parameters presented in the error function.
Правые части указанных уравнений принимают за сигналы измерения zi, а левые - формально равные соответствующим сигналам измерения используют для определения элементов hij некоторой матрицы измерения, посредством которых осуществляют взвешивание ошибок Δxj измерения соответствующих параметров The right-hand sides of these equations are taken as measurement signals z i , and the left-hand sides are formally equal to the corresponding measurement signals used to determine the elements h ij of a certain measurement matrix, by which the errors Δx j are weighted by measuring the corresponding parameters
Очевидно, что при этом для каждого zi сумма Σj hijΔxj взвешенных значений должна быть равна соответствующему сигналу измерения zi.It is obvious that, for each z i, the sum Σ j h ij Δx j of weighted values should be equal to the corresponding measurement signal z i .
При наличии адекватного и физически-обоснованного описания подлежащих оцениванию параметров Δxj, реализуют эффективную процедуру их оптимального оценивания.If there is an adequate and physically justified description of the parameters Δx j to be evaluated, an effective procedure for their optimal assessment is implemented.
В соответствии с представленной выше схемой, преобразуем приведенные уравнения связи (28) и, на их основе, получим выражения для расчета сигналов измерения zi и элементов hij (i=1-3, j=1-13) матрицы наблюдения.In accordance with the above scheme, we transform the above communication equations (28) and, based on them, we obtain expressions for calculating the measurement signals z i and elements h ij (i = 1-3, j = 1-13) of the observation matrix.
Но прежде приведем удобные для практического использования выражения для составляющих Vx, Vy, Vz воздушной скорости в проекциях на оси ССК Oxyz.But first, we present the expressions convenient for practical use for the components of the air velocity V x , V y , V z in the projections on the Oxyz axis.
При их формировании будем исходить из определения воздушной скорости, как скорости перемещения объекта относительно ветра.In their formation, we will proceed from the definition of airspeed, as the speed of movement of an object relative to the wind.
Для этого получим полезные векторно-матричные соотношения, устанавливающие связь между проекциями произвольного вектора в осях ТСК OxT yT zT и ВСК OxB yB zB с его компонентами в осях ССК OxyzTo do this, we obtain useful vector-matrix relations establishing a connection between the projections of an arbitrary vector in the axes of the SSC Ox T y T z T and the SSC Ox B y B z B with its components in the SSC axes Oxyz
Указанные соотношения достаточно просто могут быть получены, если в векторно-матричное соотношение (5) вместо вектора подставить его значения, определяемые векторно-матричными соотношениями (10) и (18).The indicated relations can be quite easily obtained if, in the vector-matrix relation (5), instead of the vector substitute its values determined by the vector-matrix relations (10) and (18).
В результате получим:As a result, we get:
Учитывая, что с продольными осями OxT ТСК и OxB ВСК связаны соответственно модуль путевой скорости и модуль u скорости ветра, приведенные выше соотношения применительно к составляющим путевой скорости объекта и составляющим ux, uy, uz скорости ветра могут быть представлены в виде следующих векторно-матричных выражений:Considering that the modulus is associated with the longitudinal axes Ox T ТСК and Ox B ВСК ground speed and wind speed modulus u, the above ratios as applied to the components the path speed of the object and the components u x , u y , u z of the wind speed can be represented in the form of the following vector-matrix expressions:
Раскрывая матрицы STT и SBT, находя значения элементов их 1-го столбца, получим следующие выражения для составляющих путевой скорости объекта и составляющих ux, uy, uz скорости ветра:Opening the matrices ST T and SB T , finding the values of the elements of their 1st column, we obtain the following expressions for the components the path velocity of the object and the components of the wind speed u x , u y , u z :
Приведенные выражения (34) для составляющих путевой скорости объекта далее будем рассматривать, как составляющие скорости, полученные по измерениям комплексной инерциально-доплеровской системы, которые соответствуют путевой скорости объекта в месте размещения ИНС. Используемый при этом модуль путевой скорости рассчитывают в соответствии с одним из выражений вида:The given expressions (34) for the constituents the ground speed of the object will be further considered as velocity components obtained from measurements of the complex inertial-Doppler system, which correspond to the ground speed of the object at the location of the ANN. The module used for this ground speed is calculated in accordance with one of the expressions of the form:
где и - составляющие путевой скорости объекта в проекциях соответственно на оси ГСТ ONHE или связанной с объектом системы координат ССК Oxyz (34).Where and - components of the path velocity of the object in the projections, respectively, on the GTS axis ONHE or the coordinate system Oxyz associated with the object (34).
При этом расчет траекторных углов сноса αCH и наклона траектории αНТ, используемых в (34), осуществляют в соответствии со следующей цепочкой соотношений (см. фиг. 1, фиг. 3):The calculation of the trajectory drift angles α CH and the slope of the trajectory α NT used in (34) are carried out in accordance with the following chain of relations (see Fig. 1, Fig. 3):
где - составляющие путевой скорости объекта в проекциях на оси ГСК ОхГ уГ zГ; ψ - истинный курс объекта.Where - components of the ground speed of the object in projections on the axis of the GSK Oh G y G z G ; ψ is the true course of the object.
Учитывая, что для описания составляющих воздушной скорости, измеряемых СВС, необходимо знать составляющие путевой скорости объекта в месте установки приемника воздушного давления (ПВД) из состава СВС, приведем математическое описание кинематических составляющих скорости перемещения ПВД относительно ИНС в проекциях на оси ГСТ ONHE, имеющих место при угловых эволюциях объекта.Given that in order to describe the airspeed components measured by the SHS, it is necessary to know the components of the object’s ground speed at the installation site of the air pressure receiver (LDPE) from the SHS, we give a mathematical description of the kinematic components of the speed of movement of the LDPE relative to the ANN in the projections on the GTS axis ONHE taking place with angular evolutions of an object.
Указанные составляющие скорости однозначно определяются характером изменения координат Δn, Δh, Δе относительного размещения ПВД и ИНС.The indicated components of the velocity are uniquely determined by the nature of the change in the coordinates Δn, Δh, Δе of the relative placement of the LDPE and ANN.
Из простых физических соображений можно показать, что дифференциальные уравнения, описывающие характер изменения координат Δn, Δh, Δе относительного размещения ПВД и ИНС в проекциях на оси ГСТ ONHE имеют вид:From simple physical considerations, it can be shown that the differential equations describing the nature of the change in the coordinates Δn, Δh, Δе of the relative placement of the LDPE and ANN in the projections on the GTS axis ONHE have the form:
где - составляющие угловой скорости объекта относительно ГСТ ONHE.Where - components of the angular velocity of the object relative to the ONHE GTS.
Правые части указанных уравнений (34.4) одновременно определяют искомые составляющие кинематической скорости перемещения ПВД относительно ИНС, поскольку для них справедливы соотношения вида:The right-hand sides of these equations (34.4) simultaneously determine the desired components kinematic velocity of the LDPE relative to the ANN, since for them the following relations are valid:
Таким образом, расширяя модель, описывающую характер изменения ошибок измерения/расчета воздушно-скоростных параметров, включая в нее дифференциальные уравнения (34.4), получают возможность оценивания координат Δn, Δh, Δе размещения ПВД относительно ИНС и определения текущих значений составляющих (34.5) кинематической скорости ПВД и после их приведения к осям связанной с объектом системы координат ССК Oxyz формировать искомые составляющие путевой скорости объекта в месте установки ПВД:Thus, expanding the model describing the nature of the change in the measurement / calculation of air-speed parameters, including differential equations (34.4), it becomes possible to estimate the coordinates Δn, Δh, Δе of the LDPE placement relative to the ANN and determine the current values of the kinematic velocity components (34.5) LDPE and after they are reduced to the axes of the coordinate system of the SSC Oxyz associated with the object to form the desired components ground speed of the object at the place of the LDPE installation:
где составляющие кинематической скорости относительного перемещения ПВД определяют в соответствии с векторно-матричным соотношением вида:where are the components the kinematic velocity of the relative movement of the LDPE is determined in accordance with the vector-matrix relation of the form:
где используемые в (34.7) матрицы Г и S представлены выше (3) и (7).where the matrices G and S used in (34.7) are presented above (3) and (7).
Представляя (34.7) в скалярном виде, получим следующие выражения для Representing (34.7) in scalar form, we obtain the following expressions for
После подстановки в (34.8) вместо их значений, определяемых (34.5), (34.4), получим следующие развернутые выражения для After substituting in (34.8) instead of their values determined by (34.5), (34.4), we obtain the following expanded expressions for
Приводя в (34.9) подобные члены, группируя их по Δn, Δh, Δе, запишем выражения для , , в следующем виде:Reducing similar terms in (34.9), grouping them by Δn, Δh, Δе, we write the expressions for , , in the following form:
Запишем полученные выражения в более компактном виде, а именно:We write the resulting expressions in a more compact form, namely:
В выражениях (34.11) приняты следующие обозначения:The following notation is used in expressions (34.11):
Согласно определению, воздушная скорость - это скорость перемещения объекта относительно ветра.By definition, airspeed is the speed at which an object moves relative to the wind.
Следовательно, находя разницу соответствующих составляющих путевой скорости объекта в месте установки ПВД (34.6) и скорости ветра (33), получим искомые выражения для составляющих воздушной скорости в проекциях на оси ССК Oxyz:Therefore, finding the difference between the corresponding components of the ground speed of the object at the installation location of the LDPE (34.6) and the wind speed (33), we obtain the desired expressions for the components of the air velocity in the projections on the axis of the SSK Oxyz:
Подставим в (35) полученные выше выражения для составляющих скорости ветра (33) и путевой скорости (34.6) с учетом определяющих их компонент (34) и (34.11). В результате получим следующую запись для составляющих Vx, Vy, Vz воздушной скорости в месте установки ПВД:We substitute in (35) the expressions obtained above for the components of wind speed (33) and ground speed (34.6), taking into account the components that determine them (34) and (34.11). As a result, we obtain the following record for the components of V x , V y , V z airspeed at the location of the LDPE:
Для случая малого значения параметра αB вертикального ветра и ψB=αCH+ΔψВ выражения (36) могут быть записаны в виде:For the case of a small value of the parameter α B of the vertical wind and ψ B = α CH + Δψ In the expression (36) can be written in the form:
Условие малого значения угла вертикального ветра не следует расценивать, как нечто обязательное и сужающее область применения предлагаемого способа формирования воздушно-скоростных параметров, поскольку оно, в этом смысле, не является определяющим и может быть также легко отменено, так как оно всего лишь на единицу уменьшает порядок синтезируемой системы.The condition for a small value of the vertical wind angle should not be regarded as something obligatory and narrowing the scope of the proposed method for the formation of air-speed parameters, since it, in this sense, is not decisive and can also be easily canceled, since it only reduces by one synthesized system order.
А то, что оно, якобы позволяет реализовать оптимальную фильтрацию и идентификацию в рамках линейной процедуры, то это, как будет показано ниже, абсолютно не так, поскольку нелинейность, типа произведения параметров состояния системы при определении элементов ее матрицы наблюдения, не исключается и, более того, не вызывает каких-либо вычислительных проблем при программной реализации рассматриваемого способа.And the fact that it supposedly allows for optimal filtering and identification in the framework of a linear procedure, this, as will be shown below, is absolutely not true, since nonlinearity, such as the product of the system state parameters when determining the elements of its observation matrix, is not excluded and, more Moreover, it does not cause any computational problems with the software implementation of the method in question.
Учитывая, что описание предлагаемого способа ведется практически с «чистого листа», для того, чтобы обеспечить возможность последующей работы с ним, вывод и преобразования всех, особенно громоздких выражений, осуществляется максимально подробно, без каких-либо трудно отслеживаемых переходов. Это, как представляется, облегчит и его первое прочтение.Given that the description of the proposed method is carried out practically from a “clean slate”, in order to ensure the possibility of subsequent work with it, the conclusion and conversion of all, especially bulky expressions, is carried out in as much detail as possible, without any difficult to track transitions. This seems to facilitate his first reading.
Последние выражения для Vx, Vy, Vz (37) после раскрытия в них с(αCH+ΔψB) и s(αCH+ΔψB) и приведший подобных членов, примут следующий вид:The last expressions for V x , V y , V z (37), after revealing in them with (α CH + Δψ B ) and s (α CH + Δψ B ) and resulting such terms, will take the following form:
Далее, полученные составляющие воздушной скорости (38) необходимо подставить в приведенные выше уравнения связи (28), принимая при этом:Further, the obtained airspeed components (38) must be substituted into the above communication equations (28), while taking:
где - измеренные/рассчитанные значения углов атаки, скольжения, воздушной скорости и скорости ветра; Δα, Δβ, ΔV, Δu - ошибки измерения/расчета представленных выше параметров.Where - measured / calculated values of angles of attack, slip, airspeed and wind speed; Δα, Δβ, ΔV, Δu - measurement / calculation errors of the above parameters.
Но прежде, запишем уравнения связи (28) в следующем промежуточном виде:But first, we write the communication equations (28) in the following intermediate form:
Пренебрегая в полученных уравнениях связи величинами 2-го порядка малости относительно Δα, Δβ приведем их в следующем виде:Neglecting in the obtained equations of coupling the values of the second order of smallness with respect to Δα, Δβ, we present them in the following form:
Подставляя в полученные уравнения выражения (38) для составляющих воздушной скорости Vx, Vy, Vz с учетом соотношения для и (39), получим следующие развернутые уравнения связи. Указанные уравнения являются промежуточными и имеют вид:Substituting expressions (38) for the airspeed components V x , V y , V z into the obtained equations, taking into account the relations for and (39), we obtain the following detailed communication equations. The indicated equations are intermediate and have the form:
Приведенные уравнения связи необходимо привести к виду, удобному для их использования по назначению, а именно, для формирования сигналов измерения или входных сигналов оптимального фильтра-идентификатора ошибок воздушно-скоростных параметров и определения элементов его матрицы наблюдения.The given communication equations must be brought to a form convenient for their intended use, namely, for generating measurement signals or input signals of an optimal filter identifier for errors of air-speed parameters and determining elements of its observation matrix.
С этой целью, учитывая, что подлежащие оцениванию кинематические составляющие скорости и ошибка расчета модуля скорости ветра не превышают 1 м/с, а погрешности измерения углов атаки и скольжения в штатном режиме полета и работы СВС и ДУАС не превышают 2,5÷3,0 градусов, представляется целесообразным и обоснованным приведенные уравнения связи (42) записать с точностью до величин второго порядка малости относительно таких параметров состояния Δu, Δα, Δβ, sΔψB, сΔψB, αB. С этой целью изменим форму их аналитического представления и запишем в следующем виде:For this purpose, taking into account that the kinematic components of the velocity to be estimated and the error in calculating the wind velocity module do not exceed 1 m / s, and the errors in measuring the angle of attack and slip in the normal flight mode and the operation of the ASF and DUAS do not exceed 2.5 ÷ 3.0 degrees, it seems appropriate and justified to write down the given communication equations (42) up to second-order values of smallness with respect to such state parameters Δu, Δα, Δβ, sΔψ B , сΔψ B , α B. For this purpose, we will change the form of their analytical presentation and write it in the following form:
где входящие в (43) компоненты Vix, Viy, Viz (i=1÷3), в соответствии с (42) и учтенными допущениями, имеют вид:where the components V ix , V iy , V iz (i = 1 ÷ 3) included in (43), in accordance with (42) and the assumptions taken into account, have the form:
Приведенные выше уравнения связи (43) с учетом определяющих их математических блоков для Vix, Viy, Viz (i=1÷3) (44.1-44.3), в соответствии с традиционной схемой их дальнейшего преобразования, должны быть записаны так, чтобы в их правых частях были сгруппированы члены, не зависящие от подлежащих оцениванию параметров, вида ΔV, Δα, Δβ, Δu, sΔψB, cΔψB, αB, а в левых - все оставшиеся члены, то есть все, что представлено в функции перечисленных выше параметров состояния.The above communication equations (43), taking into account the mathematical blocks defining them for V ix , V iy , V iz (i = 1 ÷ 3) (44.1-44.3), in accordance with the traditional scheme of their further transformation, should be written so that in their right-hand sides, the terms that are independent of the parameters to be estimated were grouped, of the form ΔV, Δα, Δβ, Δu, sΔψ B , cΔψ B , α B , and in the left - all the remaining members, that is, everything that is represented in the function above status parameters.
После чего, правые части указанных уравнений, которые определяются, исключительно, по измерениям СВС и ИНС в режиме ее инерциально-доплеровской коррекции, принимают за входные сигналы z1, z2, z3 оптимального фильтра-идентификатора ошибок воздушно-скоростных параметров, а по их левым частям - формируют соответствующие указанным сигналам измерения три строки матрицы наблюдения Н.After that, the right-hand sides of these equations, which are determined solely from measurements of SHS and ANNs in the mode of its inertial-Doppler correction, are taken as input signals z 1 , z 2 , z 3 for the optimal filter identifier for errors of air-speed parameters, and according to their left parts — three rows of the observation matrix N. are formed corresponding to the indicated measurement signals.
Учитывая громоздкость преобразований, предваряющих формирование сигналов измерения и матрицы наблюдения, запишем выражения для них без их проведения, на основании, исключительно, приведенных выше уравнений (43) и определяющих их математических блоков (44.1)-(44.3), но с обязательным учетом приведенных выше рекомендаций.Given the cumbersomeness of the transformations that precede the formation of the measurement signals and the observation matrix, we write the expressions for them without them, based solely on the above equations (43) and the mathematical blocks defining them (44.1) - (44.3), but with the necessary consideration of the above recommendations.
В соответствии с 1-м уравнением системы (43) и системой математических блоков (44.1), определяющих указанное уравнение, запишем расчетное выражения для сигнала измерения z1:In accordance with the 1st equation of the system (43) and the system of mathematical blocks (44.1) that define the specified equation, we write the calculated expression for the measurement signal z 1 :
В соответствии со 2-м уравнением системы (43) и системой математических блоков (44.2), определяющих указанное уравнение, выражения для сигнала измерения z2 будет иметь следующий вид:In accordance with the 2nd equation of the system (43) and the system of mathematical blocks (44.2) defining the specified equation, the expressions for the measurement signal z 2 will have the following form:
Выражение для расчета 3-го сигнала измерения z3, в соответствии с 3-м уравнением системы (43) и входящих в него математических блоков (44.3), будет иметь следующий вид:The expression for calculating the 3rd measurement signal z 3 , in accordance with the 3rd equation of the system (43) and the mathematical blocks included in it (44.3), will have the following form:
Из приведенных выражений для входных сигналов оптимального идентификатора ошибок воздушно-скоростной информации следует, что все они сформированы по измерениям СВС, ДУАС и ИНС в режиме ее инерциально-доплеровской коррекции.From the above expressions for the input signals of the optimal identifier for errors in air-speed information, it follows that they are all formed by measurements of the SHS, DUAS and ANN in the mode of its inertial-Doppler correction.
Именно по этой причине все параметры, сформированные по инерциальным измерениям, считаются идеальными, а всем сигналам, таким, как воздушная скорость , углы атаки и скольжения измеренным СВС и ДУАС, присущи ошибки ΔV, Δα, Δβ, которые подлежат их адекватному математическому описанию и оптимальному оцениванию. Указанные ошибки и, дополнительно, не входящие в явном виде в выражения (44.1), (44.2), (44.3) ошибка Δu расчетного значения скорости ветра и неизвестные углы ΔψВ и αB его пространственной ориентации в совокупности с кинематическими погрешностями (34.11) определения путевой скорости объекта в месте установки ПВД, входят в левые части тех уравнений связи, которые выше не были приведены по причине громоздкости их представления.For this reason, all parameters generated by inertial measurements are considered ideal, and all signals, such as airspeed angles of attack and slip measured by SHS and DUAS, errors ΔV, Δα, Δβ are inherent, which are subject to their adequate mathematical description and optimal estimation. The indicated errors and, additionally, not explicitly included in expressions (44.1), (44.2), (44.3) error Δu of the calculated value of the wind speed and unknown angles Δψ B and α B of its spatial orientation, together with kinematic errors (34.11) for determining the path velocity of the object at the LDPE installation site, are included in the left-hand sides of the communication equations that were not given above due to the cumbersomeness of their representation.
Обозначив правые части указанных уравнений связи через z1 (45.1), z2 (45.2), z3 (45.3), очевидно, что их левые части - это суть те же самые z1, z2, z3, но в функции подлежащих оцениванию параметров состояния системы, в перечень которых входят такие ошибки измерения/расчета воздушно-скоростных параметров, как ΔV, Δα, Δβ, Δu, sΔψB, cΔψB, αB, Δn, Δh, Δе.Having designated the right-hand sides of the indicated communication equations by z 1 (45.1), z 2 (45.2), z 3 (45.3), it is obvious that their left-hand sides are the same z 1 , z 2 , z 3 , but in the function of the subject estimation of system state parameters, the list of which includes such measurement / calculation errors of air-speed parameters as ΔV, Δα, Δβ, Δu, sΔψ B , cΔψ B , α B , Δn, Δh, Δе.
Приведенный перечень будет уточнен после разработки полной математической модели, описывающей характер изменения указанных параметров.The above list will be clarified after the development of a complete mathematical model that describes the nature of the change in these parameters.
Разработка указанной модели предполагает адекватное математическое описание характера изменения во времени всех, представленных выше параметров состояния. При этом, целесообразно исходить из опыта предыдущих разработок.The development of this model assumes an adequate mathematical description of the nature of the change in time of all the state parameters presented above. In this case, it is advisable to proceed from the experience of previous developments.
А опыт разработки, испытаний и эксплуатации оптико-электронных прицельно-навигационных комплексов (ОЭПрНК) современных объектов боевого назначения свидетельствует о том, что математическая модель, описывающая характер изменения погрешности ΔV измерения воздушной скорости может быть представлена выражением вида:And the experience in the development, testing and operation of optoelectronic sighting and navigation systems (OEPrNK) of modern military targets indicates that a mathematical model that describes the nature of the change in the error ΔV of air speed measurement can be represented by an expression of the form:
где: - измеренное значение текущей воздушной скорости; ΔkV, ΔV0 - некоторые параметры, описываемые, как постоянные случайные величины:Where: - measured value of the current airspeed; Δk V , ΔV 0 are some parameters described as constant random variables:
Для определения текущей погрешности ΔV измерения воздушной скорости параметры ΔkV и ΔV0 должны быть включены в перечень параметров состояния системы.To determine the current error ΔV measurement of air speed Δk V and ΔV 0 parameters should be included in the list of system status parameters.
Относительно практического использования измеренных ДУАС углов атаки и скольжения следует отметить, что на одном из объектов указанные углы перед их использованием для решения специальных задач предварительно «взвешивались» некоторыми коэффициентами, равными 0,8-0,85 для угла атаки и 0,6-0,65 для угла скольжения, после чего их корректировали в соответствии с методом, основанным на справедливости гипотезы об отсутствии вертикального ветра.Regarding the practical use of measured angles of attack and slip it should be noted that on one of the objects the indicated angles were previously “weighted” by some coefficients equal to 0.8-0.85 for the angle of attack and 0.6-0.65 for the angle of glide before they were used to solve special problems, after which they corrected in accordance with the method based on the validity of the hypothesis of the absence of vertical wind.
Указанный подход формирования углов атаки и скольжения обеспечивал достаточно эффективное применение всей номенклатуры неуправляемых авиационных средств поражения (АСП), но с некоторым ограничением их применения.The indicated approach to the formation of angles of attack and glide provided a rather effective application of the entire range of unguided aircraft weapons (ASA), but with some limitation on their use.
Учитывая приведенный опыт формирования рассматриваемых углов, представляется целесообразным характер изменения ошибок Δα и Δβ измерения углов атаки и скольжения, по аналогии с (46), представить в виде:Considering the cited experience of the formation of the considered angles, it seems appropriate to characterize the errors Δα and Δβ of the measurement of the angle of attack and slip, by analogy with (46), in the form
где - измеренные значения углов атаки и скольжения; Δkα, Δkβ, Δα0, Δβ0 - некоторые параметры, описываемые, как постоянные случайные величины:Where - measured values of the angle of attack and slip; Δk α , Δk β , Δα 0 , Δβ 0 are some parameters described as constant random variables:
В соответствии с фиг. 1, 3, 5 и соотношением (21), выражение, определяющее курс горизонтальной составляющей скорости ветра относительно направления на Север, будет иметь следующий вид:In accordance with FIG. 1, 3, 5 and relation (21), the expression defining the course of the horizontal component of the wind speed relative to the direction to the North will have the following form:
где ψп - путевой угол объекта: ψп=ψ+αCH where ψ p - the path angle of the object: ψ p = ψ + α CH
Для стационарной модели скорости ветра его направление относительно сторон Света на заданном интервале наблюдения следует считать постоянным. Это, очевидно, означает, что For a stationary model of wind speed, its direction relative to the sides of the world at a given observation interval should be considered constant. This obviously means that
Записав выражение (48) в виде:Having written expression (48) in the form:
и продифференцировав его, получим следующее полезное соотношение:and differentiating it, we obtain the following useful ratio:
Указанное соотношение позволяет достаточно просто получить дифференциальные уравнения, описывающие характер изменения таких параметров скорости ветра, как сΔψB и sΔψB. Приведем их:The indicated relation makes it possible to quite simply obtain differential equations describing the nature of the change of such wind speed parameters as сΔψ B and sΔψ B. We give them:
Дифференциальное уравнение, описывающее характер изменения угла αB, определяющего направление вертикального ветра представим в виде уравнения, характерного для цветного шума 1-го порядка с ненулевым математическим ожиданием. Оно имеет следующий вид:The differential equation describing the nature of the change in the angle α B , which determines the direction of the vertical wind, is presented in the form of an equation characteristic of color noise of the first order with nonzero mathematical expectation. It has the following form:
где - параметры цветного шума 1-го порядка, характеризующие его изменчивость и интенсивность соответственно; - белый шум 1-ой интенсивности.Where - 1st-order color noise parameters characterizing its variability and intensity, respectively; - white noise of the 1st intensity.
Дифференциальное уравнение, описывающее характер изменения погрешности Δu расчета скорости ветра может быть также представлено в виде цветного шума 1-го порядка с ненулевым математическим ожиданием:The differential equation describing the nature of the change in the error Δu of the calculation of wind speed can also be represented in the form of color noise of the first order with a non-zero mathematical expectation:
где μu, σu, wu - соответствующие параметры цветного шума, функционально аналогичны параметрам уравнения (52).where μ u , σ u , w u are the corresponding color noise parameters, are functionally similar to the parameters of equation (52).
Дифференциальные уравнения, описывающие характер изменения координат Δn, Δh, Δе относительного местоположения ПВД из состава СВС и ИНС в проекциях на оси ГСТ ONHE, представлены выше и имеют вид (34.4).Differential equations describing the nature of the change in the coordinates Δn, Δh, Δе of the relative location of the LDPE from the SHS and ANN in projections on the GTS axis ONHE are presented above and have the form (34.4).
Таким образом, имеем следующий вектор х воздушно-скоростных параметров состояния, подлежащих оптимальному оцениванию в штатных режимах маневренного полета:Thus, we have the following vector x of air-speed state parameters that are subject to optimal estimation in standard maneuverable flight modes:
В завершение описания синтезируемой системы оптимальной фильтрации приведем вид ее матрицы наблюдения Н и выражения для расчета ее элементов hij (i=1÷3, j=1÷13).To conclude the description of the synthesized optimal filtering system, we present the form of its observation matrix H and the expression for calculating its elements h ij (i = 1 ÷ 3, j = 1 ÷ 13).
Матрица наблюдения Н, в соответствии с (45.1)-(45.3) и видом вектора х параметров состояния системы (54) имеет размерность [3×13] и может быть представлена в следующем виде:The observation matrix H, in accordance with (45.1) - (45.3) and the form of the vector x of the state parameters of the system (54), has the dimension [3 × 13] and can be represented as follows:
При определении линеаризованных выражений для расчета элементов hij матрицы измерения (55) использовалось следующее выражение:When determining the linearized expressions for calculating the elements h ij of the measurement matrix (55), the following expression was used:
представленное в Э. Сейдж, Дж. Меле «Теория оценивания и ее применение в связи и управлении», «Связь», Москва, 1976 г [3] (стр. 446-448).presented in E. Sage, J. Mele "The theory of evaluation and its application in communication and management", "Communication", Moscow, 1976 [3] (pp. 446-448).
При их нахождении использовались уравнения связи (43) и входящие в них математические блоки (44.1), (44.2), (44.3) с членами, зависящими от параметров состояния системы, представленными вектором (54), и соотношениями, определяющими ΔV (46) и Δα, Δβ (47).When finding them, we used the coupling equations (43) and the mathematical blocks (44.1), (44.2), (44.3) that enter into them, with terms depending on the state parameters of the system represented by vector (54) and the relations defining ΔV (46) and Δα, Δβ (47).
Выражения для расчета представленных в (55) элементов hij матрицы наблюдения Н имеют следующий вид:The expressions for calculating the elements h ij of the observation matrix H presented in (55) are as follows:
После описания характера изменения параметров состояния исходной системы (46), (46.1), (47), (47.1), (48)-(51), (52), (53), (54), (34.4), получения выражений для сигналов измерения (45.1), (45.2), (45.3), которые являются входными сигналами оптимального фильтра-идентификатора ошибок измерения/расчета и, одновременно, определения неизвестных воздушно-скоростных параметров и проведения достаточно трудоемких математических преобразований в обеспечение формирования матрицы измерения Н (55), элементы которой (57.1), (57.2), (57.3), из соображений повышения точности оптимального оценивания, рассчитывают с учетом нелинейных членов второго порядка малости (57), приведем в векторно-матричном виде оптимальную процедуру дискретного фильтра Калмана.After describing the nature of the change in the state parameters of the original system (46), (46.1), (47), (47.1), (48) - (51), (52), (53), (54), (34.4), obtaining the expressions for measurement signals (45.1), (45.2), (45.3), which are the input signals of the optimal filter identifier for measurement / calculation errors and, at the same time, the determination of unknown air-speed parameters and the implementation of rather labor-intensive mathematical transformations to ensure the formation of the measurement matrix H ( 55), elements of which (57.1), (57.2), (57.3), for reasons of increasing the accuracy of the optimal estimate calculations, taking into account nonlinear terms of the second order of smallness (57), we present in vector-matrix form the optimal procedure for a discrete Kalman filter.
При этом, учитывая, что модель сообщения рассматриваемой системы является линейной, а элементы матрицы измерения представлены в аналитически проработанном, линеаризованном виде, приведем ее в традиционном для линейных систем дискретном виде (стр. 269 [3]):Moreover, taking into account that the message model of the system under consideration is linear, and the elements of the measurement matrix are presented in an analytically developed, linearized form, we present it in the discrete form traditional for linear systems (p. 269 [3]):
1. Исходная модель сообщения:1. The original message model:
2. Модель наблюдения:2. Surveillance Model:
3. Априорные данные, используемые при синтезе:3. A priori data used in the synthesis:
4. Структура оптимального фильтра:4. The structure of the optimal filter:
где Where
5. Вычисление матрицы априорных ошибок оценивания:5. Calculation of the matrix of a priori estimation errors:
6. Вычисление оптимальных коэффициентов усиления:6. Calculation of optimal amplification factors:
7. Вычисление матрицы апостериорных ошибок оценивания:7. The calculation of the matrix of posterior estimation errors:
Последнюю операцию, представленную выражением (64), следует рассматривать, как подготовительную к следующему такту вычислений.The last operation represented by expression (64) should be considered as preparatory to the next step of calculations.
В приведенных выше соотношениях (58÷64) приняты следующие условные обозначения:In the above relations (58 ÷ 64), the following conventions are used:
xk - вектор параметров состояния системы;x k is the vector of system state parameters;
- вектор оптимальных апостериорных оценок параметров состояния; - vector of optimal posterior estimates of state parameters;
wk - вектор случайных возмущений модели сообщения;w k is the vector of random perturbations of the message model;
Vk - вектор случайных шумов измерения;V k is the vector of random measurement noise;
Фk+1,k - фундаментальная матрица системы (модели сообщения);Ф k + 1, k is the fundamental matrix of the system (message model);
Гk+1,k - матрица передачи случайных возмущений системы;Г k + 1, k is the matrix of transmission of random perturbations of the system;
Hk - матрица измерения;H k is the measurement matrix;
- вектор априорных оценок параметров состояния системы; is the vector of a priori estimates of the system state parameters;
Pk+1,k - априорная корреляционная матрица ошибок оценивания;P k + 1, k is the a priori correlation matrix of estimation errors;
Pk+1 - апостериорная корреляционная матрица ошибок оценивания;P k + 1 - a posteriori correlation matrix of estimation errors;
Qk - корреляционная матрица случайных шумов системы;Q k - correlation matrix of random noise of the system;
Rk - корреляционная матрица случайных шумов измерения;R k - correlation matrix of random noise measurements;
zk - вектор сигналов измерения;z k is the vector of measurement signals;
Kk+1 - матрица оптимальных коэффициентов усиления.K k + 1 is the matrix of optimal gain.
Сведем приведенные выше дифференциальные уравнения, описывающие характер изменения ошибок измерения/расчета и определения неизвестных воздушно-скоростных параметров (46), (46.1), (47), (47.1), (51)-(53), (34.4) в единую систему дифференциальных уравнений, представляя ее в дискретном виде:Let us summarize the above differential equations describing the nature of the change in measurement / calculation errors and determination of unknown air-speed parameters (46), (46.1), (47), (47.1), (51) - (53), (34.4) into a single system differential equations, representing it in a discrete form:
где τ - дискретность решения рассматриваемой задачи (τ=0,1 сек); w1 - w6, ws, wc, , wu, wn, wh, we - некоррелированные шумы возмущения известной интенсивности.where τ is the discreteness of the solution of the problem in question (τ = 0.1 sec); w 1 - w 6 , w s , w c , , w u , w n , w h , w e are uncorrelated disturbance noises of known intensity.
Необходимо помнить, что первые шесть параметров состояния приведенной системы уравнений связаны соотношениями (46), (47), что важно, как при формировании матрицы наблюдения Н, так и при синтезе структуры оптимального фильтра-идентификатора в целом.It must be remembered that the first six state parameters of the reduced system of equations are related by relations (46), (47), which is important both in the formation of the observation matrix H and in the synthesis of the structure of the optimal filter identifier as a whole.
На основании приведенной системы дискретных уравнений (65) достаточно просто может быть сформирована фундаментальная матрица Фk+1,k рассматриваемой системы и доопределены элементы матрицы измерения.Based on the above system of discrete equations (65), the fundamental matrix Φ k + 1, k of the system under consideration can be formed quite simply and the elements of the measurement matrix can be further defined.
Относительно линеаризованной матрицы измерения Н (55) следует отметить, что отдельные ее элементы, представленные в функции априорных оценок параметров состояния системы, таких, как как следует из выражения (56), должны быть представлены в функции их прогнозируемых значений, каждое из которых рассчитывается в соответствии с конкретным дискретным уравнением системы (65).Regarding the linearized measurement matrix H (55), it should be noted that its individual elements are presented in the function of a priori estimates of the state parameters of the system, such as as follows from expression (56), they should be represented in the function of their predicted values, each of which is calculated in accordance with a specific discrete equation of system (65).
В соответствии с (58)÷(64), полученными выше выражениями для сигналов z1, z2, z3 (45.1), (45.2), (45.3) и матрицы измерения Н (55), (57.1)÷(57.3), а также моделью сообщения (65), описывающей характер изменения во времени ошибок измерения/расчета основной тройки ΔV, Δα, Δβ воздушно-скоростных параметров и, одновременно, определения неизвестных параметров угловой ориентации скорости ветра , , αB и координат Δn, Δh, Δе относительного размещения ПВД и ИНС, приведем математическое описание всех, используемых в процедуре (58)÷(64) матриц.In accordance with (58) ÷ (64), the above expressions for the signals z 1 , z 2 , z 3 (45.1), (45.2), (45.3) and the measurement matrix H (55), (57.1) ÷ (57.3) as well as a message model (65) describing the nature of the time-varying measurement / calculation errors of the main triple ΔV, Δα, Δβ of air-speed parameters and, at the same time, determination of unknown parameters of the angular orientation of the wind speed , , α B and coordinates Δn, Δh, Δе of the relative placement of the LDPE and ANN, we give a mathematical description of all the matrices used in the procedure (58) ÷ (64).
Выражение для фундаментальной матрицы Фk+1,k размерностью [13×13] не приводится, поскольку все ее элементы Фik k+1,k (i,j = 1÷13) достаточно просто могут быть получены из системы дискретных уравнений (65).The expression for the fundamental matrix Φ k + 1, k of dimension [13 × 13] is not given, since all its elements Φ ik k + 1, k (i, j = 1 ÷ 13) can be obtained quite simply from the system of discrete equations (65 )
Матрица передачи возмущений системы Гk+1,k имеет размерность [13×13] и равна единичной матрице 13-го порядка, умноженной на τ.The perturbation transfer matrix of the system Γ k + 1, k has the dimension [13 × 13] and is equal to the 13th order identity matrix times τ.
где [1] - единичная матрица размерности [13×13].where [1] is the identity matrix of dimension [13 × 13].
Матрица измерения Н представлена выше (55) и имеет размерность [3×13], ее элементы определяются выражениями (57.1)-(57.3). При этом вектор z сигналов измерения размерностью [3×1] представлен компонентами z1, z2, z3 (45.1)-(45.3), наблюдаемыми на фоне аддитивных некоррелированных шумов измерения V1, V2, V3 с известными интенсивностями.The measurement matrix H is presented above (55) and has a dimension [3 × 13], its elements are determined by expressions (57.1) - (57.3). In this case, the vector z of measurement signals of dimension [3 × 1] is represented by the components z 1 , z 2 , z 3 (45.1) - (45.3), observed against the background of additive uncorrelated measurement noise V 1 , V 2 , V 3 with known intensities.
Матрица шумов измерения Rk имеет размерность [3×3] и равна:The noise matrix of the measurement R k has a dimension [3 × 3] and is equal to:
где - дисперсии соответствующих шумов измерения.Where - variance of the corresponding measurement noise.
В соответствии с дискретной системой уравнений (65) матрица Qk шумов возмущения системы имеет 13-ый порядок, является диагональной с элементами вида:In accordance with the discrete system of equations (65), the matrix Q k of noise of the perturbation of the system is of the 13th order, is diagonal with elements of the form:
где - дисперсии шумов системы (65).Where - noise variance of the system (65).
Априорная (62) и апостериорная (64) корреляционные матрицы ошибок оценивания являются положительно-определенными симметрическими матрицами размерности [13×13].The a priori (62) and posterior (64) correlation matrices of estimation errors are positive definite symmetric matrices of dimension [13 × 13].
Матрица оптимальных коэффициентов усиления оптимального фильтра-идентификатора ошибок воздушно-скоростных параметров имеет размерность [13×3] и может быть представлена в следующем виде:The matrix of optimal gains of the optimal filter identifier for errors of air-speed parameters has a dimension [13 × 3] and can be represented as follows:
При алгоритмической реализации рассматриваемого способа формирования воздушно-скоростных параметров будем использовать дискретную линеаризованную процедуру оптимальной фильтрации и идентификации (58)-(64).In the algorithmic implementation of the considered method of forming air-speed parameters, we will use the discrete linearized optimal filtering and identification procedure (58) - (64).
Однако, с целью более наглядного и осмысленного восприятия рассматриваемой процедуры представляется целесообразным дополнительно провести синтез структуры оптимального фильтра-идентификатора для случая его непрерывного представления.However, in order to more clearly and meaningfully perceive the procedure under consideration, it seems advisable to additionally synthesize the structure of the optimal filter-identifier for the case of its continuous presentation.
В этом случае будут определены роль и место каждого сигнала измерения, модели сообщения (65), каждого оптимального коэффициента усиления из всей совокупности входящих в матрицу (69) коэффициентов и каждого элемента hij (i=1÷3, j=1÷13) матрицы наблюдения (55). Достаточно наглядно будет раскрыто понятие каждой из 3-х невязок измерения ν1, ν2, ν3 и тем самым - суть всех присутствующих в них ошибок.In this case, the role and place of each measurement signal, message model (65), each optimal gain from the entire set of coefficients included in the matrix (69) and each element h ij (i = 1 ÷ 3, j = 1 ÷ 13) will be determined observation matrices (55). The concept of each of the 3 residuals of the measurement ν 1 , ν 2 , ν 3 will be sufficiently clearly revealed, and thereby the essence of all the errors that are present in them.
Для синтеза упомянутой структуры оптимального фильтра-идентификатора ошибок воздушно-скоростных параметров воспользуемся матричным дифференциальным уравнением оптимального фильтра-идентификатора для случая его непрерывного представления/описания:To synthesize the mentioned structure of the optimal filter identifier for errors of air-speed parameters, we use the matrix differential equation of the optimal filter identifier for the case of its continuous presentation / description:
где: F - матрица состояния системы; K - матрица оптимальных коэффициентов усиления; - вектор оптимальных оценок параметров состояния системы; z - вектор сигналов измерения.where: F is the state matrix of the system; K is the matrix of optimal gain; - the vector of optimal estimates of the system state parameters; z is the vector of measurement signals.
Структура векторов z, и матриц κ и Н соответствует представленному выше их описанию.The structure of vectors z, and the matrices κ and H correspond to the above description.
При этом матрица состояния системы F будет определяться системой приведенных выше дифференциальных уравнений (46.1), (47.1), (51), (52), (53), (34.4) с обязательным учетом соотношений (46) и (47), определяющих ошибки ΔV, Δα, Δβ измерения воздушной скорости и углов атаки и скольжения In this case, the state matrix of the system F will be determined by the system of the above differential equations (46.1), (47.1), (51), (52), (53), (34.4) with the obligatory allowance for relations (46) and (47), which determine the errors ΔV, Δα, Δβ airspeed measurements and angles of attack and slip
Синтез структуры оптимального фильтра-идентификатора ошибок воздушно-скоростных параметров будем проводить методом структуризации системы дифференциальных уравнений 13-го порядка, сформированной в соответствии с матричным дифференциальным уравнением (70) и видом входящих в него матриц F, K, Н и векторов z, The structure of the optimal filter identifier for errors in air-speed parameters will be synthesized by the method of structuring the system of differential equations of the 13th order, formed in accordance with the matrix differential equation (70) and the form of the matrices F, K, H and vectors z,
Приведем указанную систему дифференциальных уравнений, которая, в соответствии с видом матриц F, K, Н и векторов z, , будет иметь следующий вид:We give the indicated system of differential equations, which, in accordance with the form of the matrices F, K, H and vectors z, will have the following form:
В приведенной системе дифференциальных уравнений под ν1, ν2, ν3 следует понимать соответствующие невязки измерения, формируемые в соответствии с выражениями вида:In the given system of differential equations, ν 1 , ν 2 , ν 3 should be understood as the corresponding measurement residuals formed in accordance with expressions of the form:
Следует отметить, что выражения (72) - это развернутая построчная запись векторно-матричного представления невязок измерения It should be noted that expressions (72) are a detailed line-by-line recording of the vector-matrix representation of the measurement residuals
Приведенная выше система дифференциальных уравнений (71) в совокупности с выражениями (72) для невязок измерения ν1, ν2, ν3, а также определяющие их сигналы измерения z1, z2, z3 (45.1), (45.2), (45.3) и линеаризованные элементы (i=1÷3, j=1÷13) (57.1), (57.2), (57.3) матрицы наблюдения Н (55) однозначно определяют структуру оптимального фильтра-идентификатора ошибок измерения/расчета воздушно-скоростных параметров.The above system of differential equations (71) in conjunction with expressions (72) for the residuals of the measurement ν 1 , ν 2 , ν 3 , as well as the measurement signals determining them z 1 , z 2 , z 3 (45.1), (45.2), ( 45.3) and linearized elements (i = 1 ÷ 3, j = 1 ÷ 13) (57.1), (57.2), (57.3) the observation matrix H (55) uniquely determine the structure of the optimal filter identifier for measurement errors / calculation of air-speed parameters .
Для ее разработки воспользуемся методом структуризации системы дифференциальных уравнений (71).To develop it, we use the method of structuring the system of differential equations (71).
Схема, определяющая структуру рассматриваемого фильтра-идентификатора, приведена на фиг. 9, сразу же после описанных выше фиг. 1-8. Но при этом, ее описание, также, как и двух блок-схем алгоритмов, представленных на фиг. 10 и фиг. 11, определяющих общую процедуру формирования, коррекции и восстановления всего перечня воздушно-скоростных параметров, включая и циклограмму ее организации, целесообразно проводить по окончании их разработки, что будет способствовать их более осмысленному восприятию.A diagram defining the structure of the filter identifier in question is shown in FIG. 9, immediately after the above described FIG. 1-8. But at the same time, its description, as well as the two flowcharts of the algorithms shown in FIG. 10 and FIG. 11, which determine the general procedure for the formation, correction and restoration of the entire list of air-speed parameters, including the cyclogram of its organization, it is advisable to carry out at the end of their development, which will contribute to their more meaningful perception.
Поэтому все представленное на фиг. 9, 10 и 11 следует рассматривать, как один из возможных примеров реализации предлагаемого способа формирования воздушно-скоростных параметров (ВСП).Therefore, everything shown in FIG. 9, 10 and 11 should be considered as one of the possible examples of the implementation of the proposed method for the formation of air-speed parameters (VSP).
На структурной схеме (фиг. 9) приняты традиционные для теории управления обозначения для усилительных, интегрирующих и суммирующих блоков.In the structural diagram (Fig. 9), designations traditional for control theory are adopted for amplifying, integrating, and summing blocks.
Обозначения для оптимальных коэффициентов усиления kij (i=1÷13, j=1÷3) и передаточных блоков, реализующих функцию «взвешивания» проходящих через них сигналов, абсолютно аналогичны.The designations for the optimal amplification factors k ij (i = 1 ÷ 13, j = 1 ÷ 3) and transmission units that implement the function of "weighing" the signals passing through them are absolutely similar.
Единственной особенностью, которая делает рассматриваемую структурную схему отличной от приведенного ее математического описания, является то обстоятельство, что в ней вместо элементов матрицы h11, h13 и h15 используются элементы h12, h14 и h16, поскольку используемая в h11, h13 и h15 операция взвешивания текущими измеренными значениями сигналов проведена в соответствующей модели формирования оценок (см. фиг. 7).The only feature that makes the structural diagram under consideration different from its mathematical description is the fact that instead of the matrix elements h 11 , h 13 and h 15, it uses the elements h 12 , h 14 and h 16 , since it is used in h 11 , h 13 and h 15 weighing operation with the current measured signal values carried out in the corresponding model for the formation of assessments (see Fig. 7).
Следует также отметить одно достаточно важное для программной реализации рассматриваемой процедуры оптимального оценивания обстоятельство, заключающееся в том, что существенно упростить ее можно путем использования известного приема декомпозиции фильтра.It should also be noted one fact that is quite important for the software implementation of the optimal estimation procedure under consideration, that it can be significantly simplified by using the well-known technique of filter decomposition.
Суть его состоит в том, что вместо программной реализации фильтра 13-го порядка при трех сигналах измерения предлагается разработать три независимых фильтра-идентификатора, каждый из которых работает по собственному сигналу измерения. При этом первый из них будет иметь 13-й порядок, а размерность двух других - на два порядка меньше (за счет отсутствия описания параметров ΔKV, ΔV0, определяющих ошибку ΔV измерения модуля воздушной скорости (46), (46.1)).Its essence is that instead of the software implementation of the 13th-order filter with three measurement signals, it is proposed to develop three independent identifier filters, each of which operates on its own measurement signal. In this case, the first of them will have the 13th order, and the dimension of the other two will be two orders of magnitude smaller (due to the lack of a description of the parameters ΔK V , ΔV 0 that determine the error ΔV of the module measurement airspeed (46), (46.1)).
Указанный прием позволит существенно сократить объем производимых вычислений и, как следствие, повысить быстродействие процедуры оптимального оценивания практически без ущерба для ее точности.The indicated trick will significantly reduce the amount of computation performed and, as a result, increase the speed of the optimal estimation procedure with virtually no damage to its accuracy.
Венцом процедуры оптимального оценивания является коррекция измеряемых воздушно-скоростных параметров и формирование их полного перечня в штатном режиме полета. Под штатным далее будем понимать такой полет, при котором измеряемые СВС и ДУАС параметры являются формально достоверными. Приведем ее.The crown of the optimal estimation procedure is the correction of the measured air-speed parameters and the formation of their complete list in the normal flight mode. By regular, we will further understand such a flight in which the measured SHS and DUAS parameters are formally reliable. We bring her.
Полученные в результате оптимального оценивания текущие значения оценок ошибок измерения воздушной скорости и углов атаки и скольжения используют для их коррекции и формирования истинных значений указанных параметров:Received as a result of optimal assessment current values of estimates airspeed errors and angles of attack and slip used for their correction and the formation of the true values of these parameters:
Используя полученные значения (73), рассчитывают истинные составляющие воздушной скорости в проекциях на оси ССК Oxyz объекта. Указанные составляющие, в соответствии с векторно-матричным выражением (13) и видом матрицы С (15), имеют вид:Using the obtained values (73), calculate the true components of the airspeed in the projections on the axis of the SSC Oxyz object. These components, in accordance with the vector-matrix expression (13) and the form of the matrix C (15), have the form:
Дополнительно, зная текущее значение оценки ошибки расчета модуля скорости ветра рассчитывают его откорректированное значение :Additionally, knowing the current rating value errors in calculating the wind speed module calculate its adjusted value :
При известных углах текущей пространственной ориентации скорости ветра один из которых рассчитывают по известным оценкам At known angles current spatial orientation of wind speed one of which is calculated according to known estimates
и сформированному по инерциальным измерениям текущему значению угла сноса αCH, в соответствии с (21), вычисляют курсовой угол ветра :and the drift angle α CH formed by inertial measurements, in accordance with (21), the directional angle of the wind is calculated :
После чего, используя текущие значения углов определяющих пространственную ориентацию скорости ветра относительно ГСК OxГyГzГ и ГСТ ONHE (фиг. 5, фиг. 1), рассчитывают составляющие скорости ветра в проекциях на оси ГСК OxГyГzГ и ГСТ ONHE:Then, using the current values of the angles determining the spatial orientation of the wind speed relative to the HSC Ox G y G z G and GTS ONHE (Fig. 5, Fig. 1), calculate the components of the wind speed in the projections on the axis of the HSC Ox G y G z G and GTS ONHE:
В соответствии с векторно-матричным выражением (5) и видом матрицы S (7), рассчитывают составляющие скорости ветра в проекциях на оси ССК Oxyz:In accordance with the vector-matrix expression (5) and the form of the matrix S (7), the components of the wind speed are calculated in the projections on the Oxyz CCK axis:
Приведенные составляющие (79), в совокупности с откорректированными компонентами воздушной скорости (74), в штатном режиме полета могут быть использованы для расчета поправок на стрельбу при применении всей номенклатуры неуправляемых авиационных средств поражения (АСП), а также при решении специальных задач.The given components (79), together with the corrected airspeed components (74), in the normal flight mode can be used to calculate firing corrections when using the entire range of unguided aircraft weapons (ASA), as well as in solving special problems.
Для сверхманевренного истребителя с управляемым вектором тяги штатными режимами полета сегодня являются все режимы, в которых предполагается выполнение высокодинамичных фигур высшего пилотажа, типа «бочки», «петли Нестерова», боевого разворота, … которые не приводят к снятию достоверности основных воздушно-скоростных параметров, таких, как, измеряемые СВС модуль воздушной (приборной и истинной) скорости и ДУАС - углы атаки и скольжения, точное знание которых важно не только для решения боевых и специальных задач, но прежде всего, для пилотирования, что входит в круг вопросов несколько другого порядка, связанных с обеспечением безопасности полета, и требует более внимательного отношения как к контролю, так и формированию указанных параметров.For a super-maneuverable fighter with a controlled thrust vector, standard flight modes today are all modes in which it is assumed to perform highly dynamic aerobatics such as “barrels”, “Nesterov loops”, combat turn, ... which do not lead to the reliability of the main air-speed parameters being removed, such as measured by the SHS module of air (instrument and true) speed and DUAS - angles of attack and glide, the exact knowledge of which is important not only for solving combat and special tasks, but above all for pi otirovaniya that beyond the scope of some other order-related safety, and requires more careful attention to both the control and the formation of the above parameters.
И в этом смысле, самыми информационно незащищенными режимами являются режимы малых скоростей, которые характерны не только для вертолетов - режим висения, но и для современных высокоманевренных истребителей, типа СУ-30СМ, МиГ-29СМТ, МиГ-35, когда они, выполняя фигуры высшего пилотажа, кратковременно останавливаются, зависая в воздухе. Это имеет место при выполнении таких фигур, как «кобра Пугачева», «колокол Квочура» и т.п.And in this sense, the most informationally unprotected modes are low-speed modes, which are characteristic not only for helicopters - the hover mode, but also for modern highly maneuverable fighters, such as SU-30SM, MiG-29SMT, MiG-35, when they, performing figures of higher aerobatics, stop briefly, hovering in the air. This takes place when performing such figures as the “Pugachev cobra”, “Kvochur's bell”, etc.
И эта незащищенность обусловлена, исключительно, тем, что в режимах малых скоростей, при:And this insecurity is caused solely by the fact that in low speed modes, with:
- воздушной скорости снимается ее достоверность;- airspeed its reliability is removed;
- воздушной скорости выдаются ошибочно измеренные углы атаки и скольжения со снятыми признаками их достоверности;- airspeed erroneously measured angle of attack and slip with signs of their reliability removed;
- снимается достоверность углов атаки и скольжения, а измеряемые значения углов обнуляются.- the accuracy of the angle of attack and slip is removed, and the measured values of the angles are reset.
На основании приведенных данных представляется целесообразным при полет из разряда штатного переводить в разряд малых скоростей и, как следствие, описанную выше процедуру оптимального оценивания ошибок измерения/расчета воздушно-скоростных параметров приостанавливать, весь срез полученных оценок, и прежде всего, определяющих параметры пространственной модели скорости ветра, запоминать, и после расчета составляющих скорости ветра в проекциях на оси ГСТ ONHE (78), переходить к решению обратной задачи пространственного треугольника скоростей.Based on the data presented it seems appropriate when to transfer the flight from the regular discharge to the low-speed discharge and, as a consequence, to suspend the entire procedure for the optimal estimation of measurement / calculation errors of air-speed parameters, remember the whole section of the obtained estimates, and, first of all, determining the parameters of the spatial model of wind speed, and after calculating components of wind speed in projections on the GTS axis ONHE (78), proceed to solving the inverse problem of the spatial velocity triangle.
Суть ее заключается в восстановлении всего перечня воздушно-скоростных параметров на основе использования составляющих (78) и текущих компонент путевой скорости, измеренных ИНС в режиме ее инерциально-доплеровской коррекции.Its essence is to restore the entire list of air-speed parameters based on the use of components (78) and the current components of the ground speed measured by the ANN in the mode of its inertial-Doppler correction.
Первой операцией решения указанной задачи является расчет составляющих воздушной скорости в проекциях на оси ГСТ ONHE. Она выполняется в полном соответствии с определением воздушной скорости, как скорости перемещения объекта относительно ветра:The first operation to solve this problem is to calculate the airspeed components in the projections on the ONHE GTS axis. It is performed in full accordance with the definition of airspeed, as the speed of movement of an object relative to the wind:
где - запомненные компоненты скорости ветра (78); - составляющие текущей путевой скорости объекта.Where - memorized components of wind speed (78); - components of the current ground speed of the object.
Следующая операция - это расчет составляющих воздушной скорости в проекциях на оси ССК Oxyz. Она осуществляется в соответствии с векторно-матричным выражением вида:The next operation is the calculation of the air velocity components in the projections on the Oxyz CCK axis. It is carried out in accordance with a vector-matrix expression of the form:
которое достаточно просто может быть получено посредством подстановки (1) в (5).which can be obtained quite simply by substituting (1) in (5).
Представляя (81) в скалярном виде, получим следующие выражения для расчета составляющих Representing (81) in a scalar form, we obtain the following expressions for calculating the components
Составляющие воздушной скорости (82), в совокупности с составляющими скорости ветра (79), могут быть использованы для расчета текущих поправок на стрельбу.Air speed components (82), in combination with wind speed components (79), can be used to calculate current firing corrections.
И последняя операция - это расчет восстановленных углов атаки и скольжения по известным составляющим (82).And the last operation is the calculation of the restored angles of attack and slip according to known components (82).
Выражения для расчета указанных углов могут быть получены на основе использования соотношений вида:Expressions for calculating the indicated angles can be obtained based on the use of relations of the form:
для проекций вектора воздушной скорости на оси ССК Oxyz (фиг. 4). В соответствии с (83), искомые выражения для расчета углов атаки и скольжения будут иметь следующий вид:for projections of the airspeed vector on the axis of CCK Oxyz (Fig. 4). In accordance with (83), the sought expressions for calculating the angle of attack and slip will have the following form:
Выше представлены две близкие по физической сути математические процедуры формирования воздушно-скоростных параметров.Above are two mathematical procedures that are close in physical essence to the formation of air-speed parameters.
Первая из них представлена выражениями (73)-(79) и используются в штатном режиме полета для коррекции и формирования полного перечня воздушно-скоростных параметров по результатам оптимального оценивания как текущих углов пространственной ориентации скорости ветра сΔψB, sΔψB, αB, так и ошибок измерения или расчета основных из них, таких, как ΔV, Δα, Δβ, Δu.The first of them is represented by expressions (73) - (79) and is used in normal flight mode to correct and form a complete list of airspeed parameters based on the results of optimal estimation of both the current angles of the spatial orientation of the wind speed with Δψ B , sΔψ B , α B , and measurement or calculation errors of the main ones, such as ΔV, Δα, Δβ, Δu.
Вторая процедура представлена выражениями (80)-(84) и предназначена для формирования полного перечня воздушно-скоростной информации и, прежде всего, для восстановления той ее части, которая утрачивает свою достоверность в критических для СВС и ДУАС режимах полета, характеризующихся малым скоростным напором. Указанная процедура используется в режиме малых скоростей и для своей реализации предполагает стационарный характер изменения скорости ветра.The second procedure is represented by expressions (80) - (84) and is intended to form a complete list of airspeed information and, first of all, to restore that part of it that loses its reliability in flight modes critical for SHS and DUAS, characterized by a low speed head. The indicated procedure is used in the mode of low speeds and for its implementation involves the stationary nature of the change in wind speed.
При этом, учитывая, что рассматриваемый режим полета является кратковременным и для самолета не превышает единиц секунд, а для вертолета - единиц минут, упомянутое выше условие не следует рассматривать как нечто, ограничивающее область применения рассматриваемого способа.Moreover, given that the flight mode under consideration is short-term and does not exceed units of seconds for an airplane, and units of minutes for a helicopter, the above condition should not be considered as something that limits the scope of the method under consideration.
Важно также отметить, что оба представленных выше алгоритма формирования воздушно-скоростных параметров основаны на реализации ключевой для них процедуры оптимальной фильтрации и идентификации всех, необходимых для этого, параметров состояния, включающей:It is also important to note that both of the above algorithms for the formation of air-speed parameters are based on the implementation of the key procedure for optimal filtering and identification of all state parameters necessary for this, including:
- формирование физически и математически корректных уравнений связи;- the formation of physically and mathematically correct communication equations;
- формирование входных сигналов оптимального фильтра-идентификатора;- the formation of the input signals of the optimal filter identifier;
- получение линеаризованных выражений для расчета элементов матрицы измерения системы;- obtaining linearized expressions for calculating the elements of the matrix of the measurement system;
- математическое описание характера изменения всех параметров состояния рассматриваемой системы и формирование инженерно обоснованной модели изменения ее параметров состояния;- a mathematical description of the nature of the change in all state parameters of the system in question and the formation of an engineering-based model for changing its state parameters;
- описание и синтез структуры оптимального фильтра-идентификатора ошибок измерения/расчета воздушно-скоростных параметров и оценивания текущих углов пространственной ориентации скорости ветра.- description and synthesis of the structure of the optimal filter identifier of measurement errors / calculation of air-speed parameters and estimation of the current angles of spatial orientation of the wind speed.
Место, взаимодействие и циклограмма включения в работу каждой из представленных выше процедур, а именно:The place, interaction and the sequence diagram of the inclusion in the work of each of the above procedures, namely:
- оптимальной фильтрации и идентификации воздушно-скоростных параметров (ОФИВСП);- optimal filtering and identification of air-speed parameters (OFIVSP);
- коррекции их текущих, ошибочно измеренных значений (КВСП);- correction of their current, erroneously measured values (CVSP);
- формирования всей номенклатуры воздушно-скоростной информации в режиме малых скоростей (ФВСИ), достаточно наглядно приведено на блок-схеме алгоритма (фиг. 10) информационного взаимодействия подпрограмм ОФИВСП (блок 2), КВСП (блок 10), ФВСИ (блок 17).- the formation of the entire nomenclature of air-speed information in the low-speed mode (FVSI), is quite clearly shown in the block diagram of the algorithm (Fig. 10) of the information interaction of the OFIVSP subroutines (block 2), KVSP (block 10), FVSI (block 17).
На фиг. 10 принято традиционное для рассматриваемых схем начертание логических блоков (блоки 1, 6, 7, 11, 12, 15, 16, 22), подпрограмм (блоки 2, 10, 17), счетчиков времени (блоки 4, 18) и блоков присваивания/переприсваивания (блоки 3, 5, 8, 9, 13, 14, 19, 20, 21, 23, 24).In FIG. 10, the tracing of logical blocks (
Приведенная блок-схема характерна для всех режимов полета, начиная со взлета, штатного для боевого объекта режима маневренного полета и режима малых скоростей.The given block diagram is characteristic for all flight modes, starting from take-off, the maneuverable flight mode and the low-speed mode, which is standard for a combat object.
Подпрограмма ОФИВСП (блок 2), структурная схема которой в ее непрерывном исполнении приведена на фиг. 9, предшествует как штатному режиму коррекции, реализуемому подпрограммой КВСП (блок 10), так и режиму малых скоростей, реализуемому подпрограммой ФВСИ (блок 17).OFIVSP subroutine (block 2), the block diagram of which in its continuous execution is shown in FIG. 9, precedes both the regular correction mode implemented by the KVSP subroutine (block 10) and the low-speed mode implemented by the FVSI subroutine (block 17).
При этом процедуру коррекции ВСП в штатном режиме маневренного полета реализуют при скоростях полета V>100 км/ч (блок 1) и начинают спустя 180 секунд (блок 6) после начала работы оптимального фильтра-идентификатора ошибок ВСП.In this case, the VSP correction procedure in the normal mode of maneuverable flight is implemented at flight speeds V> 100 km / h (block 1) and begins 180 seconds later (block 6) after the start of the optimal VSP error identifier filter.
Указанный временной сдвиг выбран из соображений использования для коррекции гарантированно точных значений оценок ошибок измерения ВСП.The indicated time shift is selected for reasons of use for the correction of the guaranteed accurate values of the error estimates of the VSP.
Далее процедура оптимального оценивания (п/п ОФИВСП) и коррекции ВСП (п/п КВСП) осуществляются параллельно. Причем, до тех пор, пока объект ни перейдет в режим малых скоростей, при котором осредненное значение воздушной скорости принимается равным (блок 16). Для гарантированного выполнения полета в режиме малых скоростей необходимо, чтобы пр. ОФИ (блок 9, где он устанавливается, и блок 15, где он контролируется) был равен 1.Next, the optimal assessment procedure (OFIVSP) and VSP correction (KVSP) are performed in parallel. Moreover, until the object switches to the low-speed mode, at which the averaged airspeed is taken equal to (block 16). For guaranteed flight performance in low-speed mode, it is necessary that the AOF (
Следует отметить, что в режиме малых скоростей процедура оптимальной фильтрации и идентификации приостанавливается. И для формирования полного перечня воздушно-скоростной информации используются сформированные на момент приостановки работы п/п ОФИВСП значения скорости ветра и текущие значения путевой скорости, измеренные в режиме инерциально-доплеровской коррекции.It should be noted that in the low-speed mode, the optimal filtering and identification procedure is suspended. And for the formation of a complete list of air-speed information, the wind speed values and current ground speed values measured in the inertial-Doppler correction mode generated at the time of the suspension of the operation of the HFSPSP are used.
После окончания режима малых скоростей и устойчивого перехода в штатный режим полета описанная выше процедура работы повторяется. Используемые в представленной выше блок-схеме (фиг. 10) осредненные на 3-х секундном интервале времени tocp (блок 11) значения воздушной скорости формируют в соответствии с алгоритмом, приведенным на блок-схеме фиг. 11.After the end of the low-speed mode and a steady transition to the normal flight mode, the above operation procedure is repeated. The values used in the above block diagram (Fig. 10) averaged over a 3-second time interval t ocp (block 11) airspeed is formed in accordance with the algorithm shown in the block diagram of FIG. eleven.
Сама процедура нахождения среднего осуществляется в соответствии с рекуррентным выражением блока 6 (фиг. 11).The procedure for finding the average is carried out in accordance with the recurrence expression of block 6 (Fig. 11).
При этом используются измеренные СВС текущие значения модуля воздушной скорости V (см. выражение блока 6).In this case, the current values of the airspeed module V measured by the SHS are used (see the expression of block 6).
Полученное осредненное значение воздушной скорости хранится в памяти (блок 13) и используется на следующем интервале осреднения до получения его обновленного значения.The obtained average value of airspeed stored in memory (block 13) and is used in the next averaging interval until its updated value is received.
Приведенная процедура осреднения является циклической и осуществляется на всем интервале полета.The above averaging procedure is cyclic and is carried out over the entire flight interval.
Время осреднения tocp (блок 11) может быть уточнено по результатам проведения натурных работ и предположительно доведено с принятых 3-х секунд до 2-х секунд.The averaging time t ocp (block 11) can be clarified by the results of field work and presumably brought from the accepted 3 seconds to 2 seconds.
Используемый в рассматриваемой блок-схеме пр. П1 является признаком 1-го прохода.Used in the block diagram under consideration, pr. P1 is a sign of the 1st pass.
Заявляемый способ формирования воздушно-скоростных параметров маневренного объекта реализуется следующим образом:The inventive method of forming air-speed parameters of a maneuverable object is implemented as follows:
1. На основе обработки текущей воздушно-скоростной, навигационной и пилотажной информации реализуют совместную обработку измеряемых СВС модуля воздушной скорости и углов атаки и скольжения его текущей ориентации относительно связанной с объектом системы координат с ДУАС, расчетного значения модуля скорости ветра и неизвестных, подлежащих оцениванию углов его пространственной ориентации относительно горизонтированной системы координат объекта, а также измеряемых в режиме инерциально-доплеровской коррекции текущих углов истинного курса ψ, крена γ и тангажа υ объекта, составляющих и модуля его путевой скорости, а также текущих значений углов сноса αCH и наклона траектории αHT его ориентации относительно ГСК объекта, по результатам проведения которой формируют полный перечень воздушно-скоростных параметров.1. Based on the processing of current air-speed, navigation and flight information, joint processing of the measured SHS of the airspeed module is implemented and angles of attack and slip its current orientation relative to the coordinate system associated with the object with DUAS, the calculated value of the module wind speed and unknowns, subject to estimation of the angles of its spatial orientation relative to the horizontal coordinate system of the object, as well as measured in the mode of inertial-Doppler correction of the current angles of the true heading ψ, roll γ and pitch υ of the object, constituting and module its ground speed, as well as the current values of the drift angles α CH and the slope of the trajectory α HT of its orientation relative to the HSC of the object, the results of which form a complete list of air-speed parameters.
Дополнительно, для достижения заявленного технического результата осуществляют:Additionally, to achieve the claimed technical result is carried out:
2. В соответствии с определением воздушной скорости объекта, как скорости его перемещения относительно скорости ветра, формируют составляющие Vx, Vy, Vz воздушной скорости в проекциях на оси ССК Oxyz (35), (36), (37). Для этого используют соответствующие составляющие его путевой скорости в месте установки ПВД (34.6) и компоненты ux, uy, uz скорости ветра (33).2. In accordance with the definition of an object’s air speed as its speed relative to wind speed, air velocity components V x , V y , V z are formed in the projections on the SSK axis Oxyz (35), (36), (37). To do this, use the appropriate components its ground speed at the installation site of the LDPE (34.6) and the components u x , u y , u z of the wind speed (33).
Использование составляющих путевой скорости (34.6) продиктовано необходимостью обеспечения адекватности формируемых составляющих воздушной скорости (35) их действительным значениям, полученным по измерениям СВС и ДУАС.The use of components of ground speed (34.6) is dictated by the need to ensure the adequacy of the formed components of air speed (35) to their actual values obtained from measurements of SHS and DUAS.
3. С целью реализации замкнутой процедуры формирования составляющих воздушной скорости (35) на основе выражений (34.6) для компонент путевой скорости объекта в месте установки ПВД и определяющих их инерциальных составляющих (34) и соответствующих компонент кинематической скорости относительного перемещения ПВД (34.6), (34.7)÷(34.11), в перечень оцениваемых параметров состояния системы, наряду с воздушно-скоростными параметрами, включают координаты Δn, Δh, Δе местоположения ПВД относительно ИНС в проекциях на оси ГСТ ONHE.3. In order to implement a closed procedure for the formation of airspeed components (35) based on expressions (34.6) for the components of the object’s ground speed at the installation site of the LDPE and the inertial components (34) and their corresponding components that determine them the kinematic velocity of the relative movement of the LDPE (34.6), (34.7) ÷ (34.11), along with the airspeed parameters, the coordinates Δn, Δh, Δе of the location of the LDPE relative to the ANN in the projections on the GTS axis ONHE are included in the list of estimated parameters of the state of the system
Характер изменения указанных координат определяется составляющими угловой скорости вращения объекта относительно ГСТ ONHE и описывается системой линейных дифференциальных уравнений вида (34.4), а сами составляющие кинематической скорости движения ПВД относительно ИНС определяются выражениями (34.5) (см. фиг. 7).The nature of the change in these coordinates is determined by the components the angular velocity of rotation of the object relative to the GTS ONHE and is described by a system of linear differential equations of the form (34.4), and the components themselves the kinematic velocity of the LDPE relative to the ANN is determined by the expressions (34.5) (see Fig. 7).
Расширение традиционной для воздушно-скоростных параметров модели ошибок и включение в нее дифференциальных уравнений (34.4), описывающих характер изменения координат относительного местоположения ПВД и ИНС, позволяет:The extension of the error model, traditional for air-speed parameters, and the inclusion in it of differential equations (34.4), describing the nature of the change in the coordinates of the relative location of the LDPE and ANN, allows:
- обеспечить математически корректное и физически обоснованное описание рассматриваемой системы;- provide a mathematically correct and physically sound description of the system in question;
- реализовать унифицированную, замкнутую процедуру решения рассматриваемой задачи для всего многообразия объектов боевого назначения;- implement a unified, closed procedure for solving the problem under consideration for the entire variety of military targets;
- и, как следствие, достичь максимальной точности и быстродействия оптимального оценивания всего перечня воздушно-скоростных параметров (54) за счет устранения основной причины их возможной расходимости в маневренном полете.- and, as a result, to achieve maximum accuracy and speed of optimal estimation of the entire list of air-speed parameters (54) by eliminating the root cause of their possible divergence in maneuverable flight.
4. С целью получения расчетных выражений для входных сигналов оптимального фильтра-идентификатора воздушно-скоростных параметров состояния системы (54) и выражений для расчета текущих элементов его матрицы наблюдения, формируют алгебраическую систему уравнений, связывающих между собой идеальные значения воздушно-скоростных, навигационных, пилотажных и других физически целесообразных параметров, типа, координат относительного местоположения ПВД и ИНС.4. In order to obtain the calculated expressions for the input signals of the optimal filter identifier of the air-speed parameters of the state of the system (54) and the expressions for calculating the current elements of its observation matrix, an algebraic system of equations is formed that connect the ideal values of the air-speed, navigation, flight and other physically appropriate parameters, such as coordinates of the relative location of the LDPE and ANN.
В предлагаемом решении указанные уравнения формируют путем приведения составляющих Vx, Vy, Vz воздушной скорости V объекта к осям скоростной системы координат OxCyCzC (фиг. 4). Указанные уравнения представлены системой алгебраических уравнений (28).In the proposed solution, these equations are formed by bringing the components V x , V y , V z of the air speed V of the object to the axes of the velocity coordinate system Ox C y C z C (Fig. 4). The indicated equations are represented by a system of algebraic equations (28).
После подстановки в уравнения (28) выражений для составляющих Vx, Vy, Vz (38) с учетом соотношений вида (39), связывающих измеренные/расчетные значения воздушно-скоростных параметров и их идеальные значения V, α, β, u, получают искомую систему уравнений связи (43) с определяющими их математическими блоками для V1x, V1y, V1z (44.1), V2x, V2y, V2z (44.2), V3x, V3y, V3z (44.3).After substituting into equations (28) the expressions for the components V x , V y , V z (38) taking into account relations of the form (39) relating the measured / calculated values of the air-speed parameters and their ideal values V, α, β, u, get the desired system of coupling equations (43) with the mathematical blocks defining them for V 1x , V 1y , V 1z (44.1), V 2x , V 2y , V 2z (44.2), V 3x , V 3y , V 3z (44.3).
5. В соответствии с традиционной схемой преобразования полученных уравнений (43), (44.1)-(44.3), их представляют таким образом, чтобы в их правых частях были сгруппированы члены, не зависящие от подлежащих оцениванию параметров, вида ΔV, Δα, Δβ, Δu, sΔψB, сΔψB, αB, Δn, Δh, Δе, а в левых - все оставшиеся члены, представленные в функции перечисленных выше параметров.5. In accordance with the traditional transformation scheme of the obtained equations (43), (44.1) - (44.3), they are presented in such a way that the terms independent of the parameters to be estimated are grouped in their right-hand sides, of the form ΔV, Δα, Δβ, Δu, sΔψ B , сΔψ B , α B , Δn, Δh, Δе, and in the left - all the remaining terms represented in the function of the parameters listed above.
6. Правые части указанных уравнений (43), которые определяются по измерениям СВС, ДУАС и ИНС принимают за сигналы измерения z1, z2, z3 (45.1), (45.2), (45.3), а по левым частям, в соответствии с (56), формируют линеаризованные выражения для расчета элементов матрицы измерения Н (55).6. The right-hand sides of the indicated equations (43), which are determined by the SHS, DUAS, and ANN measurements, are taken for the measurement signals z 1 , z 2 , z 3 (45.1), (45.2), (45.3), and on the left-hand sides, in accordance c (56), form linearized expressions for calculating the elements of the measurement matrix H (55).
Расчет их текущих значений осуществляют в соответствии с выражениями (57.1), (57.2), (57.3).The calculation of their current values is carried out in accordance with the expressions (57.1), (57.2), (57.3).
7. На основании экспериментальных данных, базирующихся на многолетнем опыте эксплуатации и испытаний объектов боевого назначения, предложены практически целесообразные и инженерно обоснованные модели, описывающие характер изменения ошибок измерения/расчета основных воздушно-скоростных параметров.7. Based on experimental data based on many years of experience in operating and testing military targets, practical and engineering-based models are proposed that describe the nature of changes in measurement / calculation of the main air-speed parameters.
В частности, в соответствии с моделью, представленной выражением (46), и ее параметрами вида (46.1), изменяются аэродинамические ошибки измерения воздушной скорости отечественных СВС.In particular, in accordance with the model represented by expression (46) and its type parameters (46.1), the aerodynamic errors of measuring the air speed of domestic SHS are changed.
Аналогично, в основу модели, описывающей характер изменения ошибок измерения углов атаки и скольжения (47), (47.1), положены опытные данные, полученные в процессе летной эксплуатации и боевого применения ряда современных объектов боевого назначения.Similarly, the model describing the nature of the change in the error in measuring the angle of attack and slip (47), (47.1) is based on experimental data obtained during flight operation and combat use of a number of modern military targets.
При разработке дифференциальных уравнений, описывающих характер изменения во времени sΔψB и cΔψB, показано, что угловая скорость изменения угла ΔψB при стационарной относительно сторон Света модели ветра, будет определяться угловой скоростью изменения путевого угла, взятой с обратным знаком (50).When developing differential equations describing the nature of the change in time sΔψ B and cΔψ B , it is shown that the angular velocity of the angle Δψ B when the wind model is stationary relative to the sides of the world will be determined by the angular rate of change of the path angle, taken with the opposite sign (50).
В соответствии с этим, уравнения, описывающие динамику изменения таких параметров скорости ветра, как sΔψB и cΔψB, для общего случая маневренного полета, будут иметь вид, представленный дифференциальными уравнениями (51).In accordance with this, the equations describing the dynamics of changes of such wind speed parameters as sΔψ B and cΔψ B for the general case of maneuverable flight will have the form represented by differential equations (51).
Указанные дифференциальные уравнения позволяют обеспечить эффективное оценивание описываемых ими параметров, как в случае маневренного полета, сопровождающегося изменением путевого угла объекта, так и без него.These differential equations make it possible to efficiently evaluate the parameters described by them, both in the case of maneuverable flight, accompanied by a change in the path angle of the object, and without it.
Дифференциальные уравнения, описывающие характер изменения угла αB вертикального ветра, а также ошибки Δu расчета скорости ветра, учитывая изменчивость указанных параметров, представляют в виде цветных шумов первого порядка с ненулевыми математическими ожиданиями и известными параметрами, характеризующими их интенсивность и изменчивость (52), (53).Differential equations describing the nature of the change in the angle α B of the vertical wind, as well as the errors Δu of the calculation of the wind speed, taking into account the variability of these parameters, are presented in the form of colored noise of the first order with nonzero mathematical expectations and known parameters characterizing their intensity and variability (52), ( 53).
8. Учитывая, что все представленные выше параметры, определяющие вектор состояния рассматриваемой системы (54), описываются линейными дифференциальными уравнениями, а нелинейная матрица измерения Н (55) после применения к ее элементам процедуры (56)приобретают характер линеаризованной матрицы с элементами hij (i=1-3, j=1-13) (57.1), (57.2), (57.3) в функции априорных оценок воздушно-скоростных параметров, вида поэтому при синтезе процедуры оптимальной фильтрации и идентификации представляется целесообразным использовать линейный вариант ее дискретной реализации (58)-(64).8. Considering that all the parameters presented above that determine the state vector of the considered system (54) are described by linear differential equations, and the nonlinear measurement matrix H (55), after applying the procedure (56) to its elements, acquire the character of a linearized matrix with elements h ij ( i = 1-3, j = 1-13) (57.1), (57.2), (57.3) as a function of a priori estimates of air-speed parameters, of the form therefore, when synthesizing the optimal filtering and identification procedure, it seems appropriate to use the linear version of its discrete implementation (58) - (64).
Применительно к предлагаемой процедуре оптимального оценивания вид используемых при ее реализации матриц и векторно-матричных уравнений представлен выражениями (66)-(72).In relation to the proposed optimal estimation procedure, the form of the matrices and vector-matrix equations used in its implementation is represented by expressions (66) - (72).
9. Предлагаемый способ формирования воздушно-скоростных параметров используют как в штатном режиме полета, так и в режиме малых скоростей, который, в отличие от штатного, является проблемным для СВС и ДУАС, поскольку измеряемая ими информация при скоростях полета, меньших 100 км/ч, утрачивает свою достоверность.9. The proposed method of forming air-speed parameters is used both in the normal flight mode and in the low-speed mode, which, unlike the standard one, is problematic for the ASF and the DUAS, since the information they measure at flight speeds less than 100 km / h loses its credibility.
В штатном режиме полета, когда измеряемая СВС и ДУАС информация достоверна, для повышения ее точности реализуют рекуррентную процедуру оптимального оценивания ошибок измеряемых и рассчитываемых воздушно-скоростных сигналов и идентификации априори неизвестных параметров, определяющих значения углов текущей ориентации скорости ветра ΔψB, αB и координат Δn, Δh, Δе относительного местоположения ПВД и ИНС в проекциях на оси ГСТ ONHE.In the normal flight mode, when the measured SHS and DUAS information is reliable, a recurrent procedure is implemented to optimally evaluate the errors of the measured and calculated airspeed signals and identify a priori unknown parameters that determine the values of the angles of the current orientation of the wind speed Δψ B , α B and coordinates Δn, Δh, Δе of the relative location of the LDPE and ANN in the projections on the GTS axis ONHE.
Параллельно с ней, используя полученные в процессе оптимальной фильтрации и идентификации оценки воздушно-скоростных параметров, осуществляют коррекцию как измеренных СВС и ДУАС сигналов так и аналитического значения модуля скорости ветра и формируют таким образом полный перечень откорректированной воздушно-скоростной информации, необходимой как для решения боевых и специальных задач, так и для пилотирования объекта.In parallel with it, using the estimates of air-speed parameters obtained in the process of optimal filtering and identification, correction of both the measured SHS and DUAS signals is carried out and analytical value of the module wind speeds and thus form a complete list of adjusted airspeed information necessary for both combat and special missions, and for piloting an object.
Операции, в соответствии с которыми осуществляется упомянутая коррекция и формирование воздушно-скоростной информации, представлены выражениями (73)-(79).The operations in accordance with which the aforementioned correction and the formation of air-speed information are carried out are represented by expressions (73) - (79).
10. В режиме малых скоростей, при утрате достоверности измеряемой СВС и ДУАС информации, процедуру оптимального оценивания приостанавливают, полученные до наступления нештатной для СВС и ДУАС ситуации значения оценок воздушно-скоростных параметров запоминают и используют в качестве начальных условий в следующем сеансе оценивания, при этом последнее откорректированное значение скорости ветра (75) и запомненные значения углов его пространственной ориентации используют для формирования его составляющих в проекциях на оси ГСТ ONHE (78), на основе которых формируют полный срез воздушно-скоростных параметров (80)-(84), используя при этом текущие значения соответствующей навигационной и пилотажной информации, измеренной ИНС в режиме инерциально-доплеровской коррекции.10. In the low-speed mode, when the reliability of the measured SHS and DUAS information is lost, the optimal estimation procedure is stopped, the values of estimates of the air-speed parameters obtained before the emergency situation for the SHS and DUAS are remembered and used as initial conditions in the next assessment session, while last adjusted wind speed (75) and stored angles its spatial orientation is used to form its components in the projections on the ONHE GTS axis (78), on the basis of which a complete cut of the air-speed parameters (80) - (84) is formed, using the current values of the corresponding navigation and flight information measured by the ANN in inertial-Doppler correction mode.
Следующий сеанс оптимального оценивания реализуют в штатном для СВС и ДУАС режиме работы.The next session of the optimal assessment is implemented in the standard operating mode for the SHS and DUAS.
11. То обстоятельство, что при разработке предлагаемого способа формирования воздушно-скоростных параметров используются уравнения связи (28), является неслучайным, поскольку, как представляется, только в этом случае описание воздушно-скоростных параметров осуществляется с общесистемных позиций.11. The fact that when developing the proposed method for forming air-speed parameters, the communication equations (28) are used is not accidental, since it seems that only in this case the description of the air-speed parameters is carried out from system-wide positions.
Действительно, кроме приема, который непосредственно используется при формировании уравнений (28), указанный подход предполагает обязательное предварительное формирование составляющих воздушной скорости в проекциях на оси ССК Oxyz (35), в соответствии с ее определением, как скорости перемещения объекта относительно ветра.Indeed, in addition to the technique that is directly used in the formation of equations (28), this approach presupposes the obligatory preliminary formation of the airspeed components in the projections on the Oxyz SSK axis (35), in accordance with its definition as the speed of the object relative to the wind.
Громоздкость получаемых при этом рабочих выражений является закономерным следствием используемого при этом подхода формирования выбранных уравнений связи.The bulkiness of the working expressions obtained in this case is a logical consequence of the approach used to form the selected communication equations.
Представляется, что в случае использования скалярной записи векторного выражения вида:It seems that in the case of using a scalar notation of a vector expression of the form:
в проекциях на оси ССК Oxyz, уравнения связи и, как следствие, вся последующая процедура синтеза, несколько упростятся.in projections on the SSK axis Oxyz, the communication equations and, as a consequence, the entire subsequent synthesis procedure, will be somewhat simplified.
Но и в этом случае должны быть использованы те основополагающие приемы синтеза, которые составляют физическую и математическую суть предлагаемого решения.But even in this case, those fundamental methods of synthesis should be used that make up the physical and mathematical essence of the proposed solution.
Основными из них являются следующие:The main ones are the following:
- математическая модель, описывающая характер изменения воздушно-скоростных параметров состояния системы, таких, как ошибки измерения углов атаки Δα и скольжения Δβ и модуля воздушной скорости ΔV, а также текущие значения параметров sΔψB, сΔψB, αB, определяющих пространственную ориентацию скорости ветра, включая и ошибку Δu ее расчета, должна иметь представленный при осуществлении изобретения вид;- a mathematical model that describes the nature of the change in the air-speed parameters of the state of the system, such as errors in measuring the angles of attack Δα and slip Δβ and the airspeed module ΔV, as well as the current values of the parameters sΔψ B , сΔψ B , α B that determine the spatial orientation of the wind speed , including the error Δu of its calculation, must have the form presented during the implementation of the invention;
- с целью корректного математического описания уравнений связи, вида (85), и, как следствие, повышения наблюдаемости, быстродействия и точности оптимального оценивания всего перечня воздушно-скоростных параметров состояния, представленную выше модель их изменения расширяют, включая в нее дифференциальные уравнения вида (34.4), описывающие характер изменения координат Δn, Δh, Δе относительного местоположения ПВД и ИНС в проекциях на оси ГСТ ONHE;- for the purpose of a correct mathematical description of the communication equations, of the form (85), and, as a result, increase of observability, speed and accuracy of the optimal estimation of the entire list of air-speed state parameters, the model of their changes presented above is expanded to include differential equations of the form (34.4 ), describing the nature of the change in the coordinates Δn, Δh, Δе of the relative location of the LDPE and ANN in the projections on the GTS axis ONHE;
- учитывая то обстоятельство, что уравнения связи (28), (85) справедливы, исключительно, для идеальных значений xj входящих в них параметров, но, как правило, некоторые из них, либо вообще неизвестны (sΔψB, сΔψB, αB, Δn, Δh, Δе), либо известны их текущие ошибочно измеренные значения для решения поставленной задачи представляется целесообразным использовать известный прием замены идеальных значений xj рассматриваемых параметров их физически равноценными значениями, равными (39), где Δxj - неизвестная, подлежащая оцениванию погрешность измерения или расчета сигнала - taking into account the fact that the constraint equations (28), (85) are valid exclusively for the ideal values x j of the parameters included in them, but, as a rule, some of them are either not known at all (sΔψ B , сΔψ B , α B , Δn, Δh, Δе), or their current erroneously measured values are known To solve this problem, it seems appropriate to use the well-known method of replacing the ideal values x j of the considered parameters with their physically equivalent values equal to (39), where Δx j is the unknown measurement error or signal calculation error to be estimated
Полученные после указанной замены уравнений связи приводят к виду, удобному для определения сигналов измерения zj и элементов hij (i=1-3, у=1-13) матрицы наблюдения;Obtained after the indicated replacement of the communication equations lead to a form convenient for determining the measurement signals z j and the elements h ij (i = 1-3, y = 1-13) of the observation matrix;
- с целью конкретизации рассматриваемой задачи и сведения ее до рамок оценивания и коррекции, исключительно, воздушно-скоростных параметров, представляется целесообразным ее решение проводить с учетом того, что используемая при этом инерциальная информация измеряется ИНС, функционирующей в режиме инерциально-доплеровского оценивания ее ошибок и с коррекцией, осуществляемой по разомкнутой схеме, при этом, при утрате достоверности измеряемой ДИСС информации, процедуру оценивания приостанавливают и, не прерывая коррекции, реализуют ее по результатам прогноза полученных оценок.- in order to concretize the problem under consideration and reduce it to the framework of estimation and correction, exclusively of air-speed parameters, it seems appropriate to carry out its decision taking into account the fact that the inertial information used in this case is measured by ANN functioning in the mode of inertial-Doppler estimation of its errors and with correction carried out according to an open circuit, in this case, when the reliability of the measured DISS information is lost, the evaluation procedure is stopped and, without interrupting the correction, they are implemented about the results of the forecast of the received estimates.
При этом, при синтезе комплексной инерциально-доплеровской системы необходимо использовать следующие новые инженерно-целесообразные и достаточно эффективные приемы и математические процедуры.In this case, in the synthesis of a complex inertial-Doppler system, it is necessary to use the following new engineering-practical and reasonably effective techniques and mathematical procedures.
Один из основных приемов синтеза эффективной по точности и быстродействию оптимальной процедуры инерциально-доплеровского оценивания и коррекции продиктован необходимостью алгоритмического учета относительного размещения задействованных в этом режиме информационных систем ИНС и ДИСС.One of the main methods of synthesis of the optimal procedure of inertial-Doppler estimation and correction effective in accuracy and speed is dictated by the need for algorithmic accounting for the relative placement of the ANN and DISS information systems involved in this mode.
Неучет координат размещения ИНС относительно ДИСС при выполнении объектом высокодинамичных маневров, типа «змейки», координированного или боевого разворотов приводит к появлению в сигналах измерения математически неописанных составляющих кинематической скорости, которые, будучи алгоритмически неучтенными, вместо методически обоснованного и ожидаемого оценивания всех параметров состояния, включая и слабонаблюдаемые, приводит к совершенно обратному результату, а именно, к расходимости процедуры оценивания.Disregard of the coordinates of the ANN placement relative to the DISS when the object performs highly dynamic maneuvers, such as a “snake”, of coordinated or combat turns leads to the appearance of mathematically indescribable kinematic velocity components in the measurement signals, which, being algorithmically unaccounted for, instead of the methodically justified and expected estimation of all state parameters, including and slightly observable, leads to a completely opposite result, namely, to the divergence of the estimation procedure.
Для реализации алгоритмического учета относительного размещения ИНС и ДИСС достаточно расширить традиционную для ИНС модель ошибок, включив в нее систему из трех дифференциальных уравнений первого порядка, описывающих характер изменения относительных координат Δξ, Δη, Δζ, размещения на объекте указанных информационных систем в проекциях на оси опорного трехгранника гироплатформы ИНС.To implement algorithmic accounting for the relative location of the ANN and DISS, it is sufficient to expand the error model traditional for the ANN by including a system of three first-order differential equations describing the nature of the change in the relative coordinates Δξ, Δη, Δζ, and location of the indicated information systems on the object in projections on the reference axis trihedron of the ANS gyro platform.
Из простых физических соображений можно показать, что указанные уравнения будут иметь следующий вид:From simple physical considerations, it can be shown that these equations will have the following form:
где - составляющие угловой скорости вращения объекта относительно опорного трехгранника гироплатформы ИНС Oξηζ; - кинематические составляющие скорости перемещения ИНС относительно ДИСС.Where - components of the angular velocity of rotation of the object relative to the reference trihedral of the gyro platform ANN Oξηζ; - kinematic components of the speed of the ANN relative to the DISS.
Включение приведенных выше дифференциальных уравнений (85.1) в проекциях на оси ОТГП ИНС Оξηζ в состав традиционной для инерциально-допплеровского режима коррекции модели ошибок ИНС позволяет получить ее расширенную модель, которая описывает не только традиционные для ИНС параметры и их связи, но и те кинематические составляющие сигналов измерения, которые ранее не учитывались.The inclusion of the above differential equations (85.1) in the projections on the OTGP axis of the ANN Оξηζ into the structure of the ANN error model correction traditional for the inertial-Doppler mode allows to obtain its extended model, which describes not only the ANN parameters and their relationships, but also those kinematic components measurement signals that were not previously taken into account.
Расширение модели ошибок ИНС позволяет устранить основную причину алгоритмической несостоятельности известных алгоритмов коррекции, заключающуюся в некорректном математическом описании исходной системы, и обеспечить тем самым гарантированную наблюдаемость и устойчивую сходимость всех и, в первую очередь, слабонаблюдаемых параметров состояния ИНС, таких, как угол αz азимутального ухода гироплатформы и дрейф εу продольного канала ИНС.The extension of the ANN error model allows eliminating the main cause of the algorithmic inconsistency of the known correction algorithms, which consists in an incorrect mathematical description of the original system, and thereby ensure guaranteed observability and stable convergence of all and, first of all, weakly observed parameters of the ANN state, such as the azimuthal angle α z gyro platform departure and ε drift at the ANN longitudinal channel.
Более того, только в этом случае достаточно просто и эффективно может быть обеспечен алгоритмический учет и устранение всех нежелательных последствий, к которым приводят математически не описанные кинематические составляющие скорости, имеющие место при маневре объекта и обусловленные геометрией относительного размещения задействованных в рассматриваемом режиме информационных систем.Moreover, only in this case, algorithmic accounting and elimination of all undesirable consequences that result in mathematically undescribed kinematic velocity components occurring during the maneuver of the object and due to the geometry of the relative placement of the information systems involved in the considered mode can be provided algorithmically and simply enough.
Важное практическое значение имеет и математически строгая, структурно замкнутая, унифицированная процедура алгоритмического учета текущих ошибок счисления/ измерения навигационной информации и ее эффективной коррекции по результатам оптимального оценивания или прогноза.Of great practical importance is the mathematically rigorous, structurally closed, unified procedure for algorithmic accounting of current errors in calculating / measuring navigation information and its effective correction according to the results of an optimal assessment or forecast.
Использование указанной процедуры в режиме инерциально-доплеровского оценивания и коррекции осуществляется всякий раз, при формировании сигналов измерения оптимального фильтра-идентификатора.The use of this procedure in the mode of inertial-Doppler estimation and correction is carried out each time, when the measurement signals of the optimal filter-identifier are generated.
При их формировании необходимо знать математическое описание как выходных сигналов ИНС, так и аналогичных сигналов, сформированных по измерениям ДИСС с использованием при этом дополнительных измерений ряда навигационных и пилотажных параметров с ИНС.When forming them, it is necessary to know the mathematical description of both the ANN output signals and similar signals generated from the DISS measurements using additional measurements of a number of navigation and flight parameters with the ANN.
Следует отметить, что при разработке (выводе) модели ошибок ИНС важное значение имеет форма аналитического представления ее выходных сигналов по скорости, которая не только определяет вид матрицы наблюдения (измерения), но от нее существенным образом зависит и сама модель ошибок ИНС.It should be noted that during the development (derivation) of the ANN error model, the form of the analytical representation of its output signals by speed is important, which not only determines the type of the observation (measurement) matrix, but the ANN error model itself also depends on it.
Не приводя и не анализируя возможные формы указанного представления, отметим, что наиболее распространенным, проработанным и приемлемым для решения рассматриваемой задачи является представление вида:Without citing or analyzing the possible forms of this representation, we note that the most common, developed and acceptable for solving the problem under consideration is a representation of the form:
где Vξ, Vη, Vζ - составляющие абсолютной линейной скорости объекта в проекциях на оси ОТГП ИНС; αх, αу, αz - углы рассогласования реального и опорного трехгранников ГП; ΔVx, ΔVy - погрешности измерения/расчета горизонтальных составляющих абсолютной скорости, входящие, наряду с малыми углами αх, αу, αz рассогласования, в перечень параметров состояния ИНС.where V ξ , V η , V ζ are the components of the absolute linear velocity of the object in the projections on the axis of the OTGP ANN; α x , α y , α z - the mismatch angles of the real and reference trihedrals of the GP; ΔV x , ΔV y are the measurement / calculation errors of the horizontal components of the absolute velocity, which, along with the small angles α x , α y , α z of the mismatch, are included in the list of parameters of the ANN state.
Составляющие (85.2) по своей физической сути являются чисто инерциальными и в явном виде не включают в себя компоненты скорости кинематического характера (85.1).The components (85.2) are purely inertial in their physical essence and do not explicitly include kinematic velocity components (85.1).
Кинематические составляющие скорости будут представлены при сравнении составляющих скорости (85.2) и аналогичных составляющих, сформированных по текущим измерениям ДИСС.The kinematic components of the velocity will be presented when comparing the velocity components (85.2) and similar components formed from the current measurements of the DISS.
Прежде, чем переходить к рассмотрению этих вопросов, целесообразно отметить, что при этом, впервые в практике разработки подобных алгоритмов, будут использованы известные кинематические соотношения, связывающие погрешности Δϕ, Δλ, Δχ автономного инерциального счисления основных навигационных параметров, а именно, географической широты ϕ, долготы λ и угла χ азимутальной ориентации опорного трехгранника гироплатформы ИНС, и погрешности Δυ, Δγ, Δψг измерения основной тройки пилотажных углов тангажа υ, крена γ и гироскопического курса ψг с малыми ошибками αх, αу выдерживания вертикали ИНС углом αz азимутального ухода ее гироплатформы ГП.Before proceeding to the consideration of these issues, it is advisable to note that in this case, for the first time in the practice of developing such algorithms, the known kinematic relations connecting the errors Δϕ, Δλ, Δχ of the autonomous inertial calculus of the main navigation parameters, namely, the geographical latitude ϕ, will be used longitude λ and χ angle of azimuthal orientation of the reference trihedron gyroplatform ANN and error Δυ, Δγ, Δψ r main measurement triple flight pitch angles υ, γ, and roll rate gyro ψ r small errors α x, α y keeping the vertical angle α z ANN azimuthal care its gyroplatform GP.
Указанные соотношения имеют следующий вид:The indicated ratios have the following form:
При формировании горизонтальных составляющих абсолютной линейной скорости объекта по измерениям ДИСС с использованием счисленных ИНС текущих значений географической широты и угла азимутальной ориентации опорного трехгранника ее гироплатформы должны быть выполнены следующие математические операции:When forming the horizontal components of the absolute linear speed of the object according to the DISS measurements using the calculated ANNs of the current values of the geographical latitude and the azimuthal orientation angle of the reference trihedron of its gyro platform, the following mathematical operations should be performed:
- приведение измеренных ДИСС составляющих путевой скорости в проекциях на оси связанной с объектом системы координат к осям опорного трехгранника гироплатформы ИНС;- reduction of the measured DISS components ground speed in projections on the axis of the coordinate system associated with the object to the axes of the supporting trihedron of the ANS gyro platform;
- расчет горизонтальных составляющих абсолютной линейной скорости, обусловленной суточно-годовым вращением Земли.- calculation of horizontal components absolute linear speed due to the daily-annual rotation of the Earth.
Первая операция достаточно просто может быть реализована в соответствии с векторно-матричным выражением (21.2).The first operation can be quite simply implemented in accordance with the vector-matrix expression (21.2).
Итак, в соответствии с (21.2) и видом матрицы (21.3), выражения для расчета составляющих будут иметь следующий вид:So, in accordance with (21.2) and the form of the matrix (21.3), expressions for calculating the components will have the following form:
Приведенные выражения для расчета составляющих путевой скорости объекта по измерениям ее компонент в проекциях на оси ССК Oxyz предполагают использование точных углов ψг, υ, γ эволюции объекта.The above expressions for calculating the components the path velocity of the object by measuring its components in projections on the axis of the SSC Oxyz suggest the use of exact angles ψ g , υ, γ of the evolution of the object.
Не располагая указанными углами, подставим в выражения (85.5) вместо ψг, υ, γ их значения, определяемые соотношениями:Not having the indicated angles, we substitute in the expressions (85.5) instead of ψ g , υ, γ their values determined by the relations:
в которых - измеренные значения углов эволюции объекта; Δγ, Δυ, Δψг - погрешности их измерения.in which - measured values of the angles of evolution of the object; Δγ, Δυ, Δψ g - errors of their measurement.
Можно показать, что подстановка (85.6) в выражения для (85.5), приведет к их следующему представлению:It can be shown that the substitution (85.6) in the expressions for (85.5), will lead to their following representation:
где приняты следующие обозначения для ошибочно рассчитанных составляющих путевой скорости и ошибок их расчета:where the following notation is used for erroneously calculated components ground speed and errors their calculation:
Подставляя в (85.9) вместо Δψг, Δυ, Δγ их значения в функции малых углов αх, αу, αz рассогласования реального и опорного трехгранников ГП ИНС (85.4), получим их следующее представление:Substituting in (85.9) instead of Δψ g , Δυ, Δγ their values in the function of small angles α x , α y , α z of the mismatch between the real and the reference trihedra of the INS GP (85.4), we obtain their following representation:
в котором приняты следующие обозначения:in which the following notation is accepted:
В приведенных выражениях (85.9), (85.11) под следует понимать соответствующие элементы матрицы (21.3), но в функции измеренных углов эволюции объекта In the above expressions (85.9), (85.11) under understand the relevant elements of the matrix (21.3), but as a function of the measured angles of evolution of the object
Все последующие операции будут исполнены на основе использования инерциальной информации и кинематических соотношений (85.3), связывающих ошибки счисления основных навигационных параметров Δϕ, Δλ, Δχ с малыми углами αх, αу, αz рассогласования реального и опорного трехгранников ГП ИНС.All subsequent operations will be performed based on the use of inertial information and kinematic relations (85.3), connecting the calculation errors of the main navigation parameters Δϕ, Δλ, Δχ with small angles α x , α y , α z of the mismatch between the real and the reference trihedra of the INS GP.
Учитывая, что эти операции приводятся впервые, представим их без сокращений.Given that these operations are presented for the first time, we present them without abbreviations.
Запишем выражение для идеальной восточной составляющей линейной скорости, обусловленной суточным вращением Земли:We write the expression for the ideal eastern component linear velocity due to the daily rotation of the Earth:
где ϕ - идеальное значение географической широты.where ϕ is the ideal value of geographical latitude.
Учитывая, что идеальная широта, в общем случае, не известна, представим ее в виде:Given that the ideal latitude, in the general case, is not known, we represent it in the form:
где: - счисленное значение широты, а Δϕ - погрешность ее счисления.Where: is the calculated value of latitude, and Δϕ is the error of its calculation.
Подставляя (85.14) в (85.13), с учетом соотношения для Δϕ (85.3) получим следующее выражение для :Substituting (85.14) into (85.13), taking into account the relation for Δϕ (85.3), we obtain the following expression for :
Входящий в (85.15) главный радиус RE земного эллипсоида вращения, определяемый выражением вида:Included in (85.15) is the main radius R E of the terrestrial ellipsoid of revolution, defined by an expression of the form:
запишем в следующем, более целесообразном для дальнейшего рассмотрения виде:we write in the following form, more suitable for further consideration:
В выражениях (85.16) и (85.17) под е2 следует понимать квадрат первого эксцентриситета эллипсоида вращения Земли, который для измерений, произведенных Ф.Н. Красовским, равен е2=0,0066934; h - бароинерциальная высота объекта.In expressions (85.16) and (85.17), e 2 should be understood as the square of the first eccentricity of the Earth's ellipsoid of revolution, which, for the measurements made by F.N. Krasovsky, is equal to e 2 = 0,0066934; h is the baroinertial height of the object.
Подставим в (85.17) соотношение (85.14). В результате, с точностью до величин первого порядка малости относительно Δϕ, получим:We substitute the relation (85.14) in (85.17). As a result, up to values of the first order of smallness with respect to Δϕ, we obtain:
где Where
Подставляя (85.18) в выражение для (85.15) получим следующее выражение для восточной составляющей линейной скорости, обусловленной суточно-годовым вращением Земли:Substituting (85.18) into the expression for (85.15) we obtain the following expression for the eastern component of the linear velocity due to the daily-annual rotation of the Earth:
С учетом обозначений, принятых для и ΔRE (85.18), выражение (85.19) примет вид:Subject to the designations adopted for and ΔR E (85.18), expression (85.19) takes the form:
Запишем последнее выражение в более приемлемом для дальнейшего рассмотрения виде:We write the last expression in a more acceptable form for further consideration:
Выражение для проекций на оси опорного трехгранника гироплатформы ИНС будут равны:Projection Expression on the axis of the reference trihedron of the gyro platform, ANNs will be equal to:
С учетом того, что идеальное значение угла азимутальной ориентации опорного трехгранника гироплатформы ИНС равно:Given that the ideal value of the azimuthal orientation angle of the supporting trihedron of the ANS gyro platform is:
выражения для горизонтальных составляющих (85.22) примут вид:expressions for horizontal components (85.22) will take the form:
Подставим в (85.24) выражение для (85.21). В результате, с точностью до величин первого порядка малости относительно Δϕ и Δχ, получим следующие выражения для составляющих и We substitute in (85.24) the expression for (85.21). As a result, up to values of the first order of smallness with respect to Δϕ and Δχ, we obtain the following expressions for the components and
Если к составляющим (85.25) прибавить соответствующие компоненты путевой скорости (85.7), то, с точностью, определяемой величинами первого порядка малости относительно малых величин вида Δϕ и Δχ, будут получены горизонтальные составляющие абсолютной линейной скорости объекта. Приведем их:If the corresponding components of the ground speed (85.7) are added to the components (85.25), then, with accuracy determined by the first-order smallness values with respect to small quantities of the form Δϕ and Δχ, horizontal components of the absolute linear velocity of the object will be obtained. We give them:
В дальнейшем, несмотря на то, что при формировании (85.26) использовалась не только информация, измеренная ДИСС, указанные составляющие абсолютной линейной скорости будем трактовать, как скорости, сформированные по измерениям ДИСС.In the future, despite the fact that during the formation (85.26) not only the information measured by the DISS was used, these components of the absolute linear velocity will be interpreted as the velocities formed from the measurements of the DISS.
Входящие в (85.26) составляющие скорости описываются представленными выше выражениями (85.8) и (85.10).Speed components included in (85.26) are described by expressions (85.8) and (85.10) presented above.
Полученные выше идеальные составляющие (85.25) абсолютной линейной скорости, обусловленные вращением Земли, целесообразно представить в следующем виде:Ideal Components Obtained Above (85.25) of the absolute linear velocity due to the rotation of the Earth, it is advisable to present in the following form:
В приведенных выражениях, в соответствии с (85.25), приняты следующие обозначения:In the above expressions, in accordance with (85.25), the following notation is used:
С учетом (85.27), выражения (85.26) примут вид:Taking into account (85.27), expressions (85.26) will take the form:
Представляется целесообразным выражения (85.29) записать в следующем виде:It seems appropriate to express (85.29) as follows:
Сравнивая соответствующие выражения (85.2) и (85.30), вычитая из левых частей выражений (85.2) левые части выражений (85.30) и аналогично, для правых частей указанных выражений, учитывая при этом кинематиеские составляющие скорости (85.1), имеющие место при маневреном полете объекта и обусловленные координатами относительного размещения рассматриваемых информационных систем (ИНС, ДИСС), получим следующие уравнения связи:Comparing the corresponding expressions (85.2) and (85.30), subtracting the left parts of the expressions (85.30) from the left parts of the expressions (85.2) and similarly, for the right parts of the indicated expressions, taking into account the kinematic components speeds (85.1) that occur during maneuverable flight of the object and due to the coordinates of the relative placement of the information systems under consideration (ANN, DISS), we obtain the following communication equations:
Обозначим левые части приведенных уравнений связи через z1 и z2, понимая под ними сигналы измерения, наблюдаемые на фоне некоррелированных шумов измерения V1 и V2 с известными интенсивностями:We denote the left-hand sides of the given coupling equations by z 1 and z 2 , meaning the measurement signals observed against the background of uncorrelated measurement noise V 1 and V 2 with known intensities:
Подставляя в (85.32) выражения (85.28) для и (85.8) для получим развернутое представление для сигналов измерения z1 и z2:Substituting in (85.32) the expressions (85.28) for and (85.8) for we obtain a detailed representation for the measurement signals z 1 and z 2 :
Приведенные выражения в дальнейшем будем рассматривать, как выражения для расчета сигналов измерения оптимального фильтра-идентификатора параметров комплексной инерциально-доплеровской системы.We will consider the above expressions as expressions for calculating the measurement signals of the optimal filter identifier for the parameters of the complex inertial-Doppler system.
В правые части полученных уравнений связи (85.31) вместо подставим соответствующие выражения (85.28) и (85.10). В результате получим следующее развернутое представление матричного выражения вида:On the right-hand sides of the obtained coupling equations (85.31) instead of we substitute the corresponding expressions (85.28) and (85.10). As a result, we obtain the following detailed representation of a matrix expression of the form:
z=Нх+W,z = Hx + W,
где х - вектор параметров состояния рассматриваемой системы, Н - матрица наблюдения.where x is the vector of the state parameters of the system in question, H is the observation matrix.
Но прежде, чем выполнить упомянутые выше подстановки, целесообразно выражения для и (85.28) представить в функции инерциально-доплеровской системы параметров состояния. Для этого вместо Δϕ и Δχ необходимо подставить в них соответствующие соотношения системы (85.3).But before performing the substitutions mentioned above, expressions for and (85.28) represent in the functions of the inertial-Doppler system of state parameters. For this, instead of Δϕ and Δχ, it is necessary to substitute the corresponding relations of the system (85.3) into them.
В результате получим:As a result, we get:
Группируя в приведенных выражениях члены по параметрам состояния αх, αу, αz, получим их следующее представление:Grouping the terms in the above expressions according to the state parameters α x , α y , α z , we obtain their following representation:
Приведем компактное представление полученных выражений:We give a compact representation of the obtained expressions:
где приняты следующие обозначения:where the following notation is accepted:
После приведения выражений для (85.28) к алгоритмически целесообразному виду (85.36) могут быть реализованы упомянутые выше операции по приведению правой части уравнений связи (85.31) к виду, удобному для формирования элементов матрицы наблюдения.After casting the expressions for (85.28) to an algorithmically appropriate form (85.36), the above operations can be implemented to bring the right-hand side of the communication equations (85.31) to a form convenient for generating elements of the observation matrix.
Для этого подставим (85.36) и (85.10) в (85.31). В результате получим следующее представление для сигналов измерения:For this, we substitute (85.36) and (85.10) into (85.31). As a result, we obtain the following representation for the measurement signals:
После приведения подобных членов в выражениях для z1 и z2 (85.38) они примут следующий вид:After reducing such terms in the expressions for z 1 and z 2 (85.38), they will take the following form:
Для формирования матрицы наблюдения необходимо знать порядок следования параметров состояния рассматриваемой системы в векторе оцениваемых параметров. Приведем его:To form the observation matrix, it is necessary to know the order of the state parameters of the system in question in the vector of estimated parameters. We give it:
В соответствии с (85.39) и (85.40) матрица наблюдения будет иметь следующий вид:In accordance with (85.39) and (85.40), the observation matrix will have the following form:
Из полученной матрицы наблюдения следует, что в рассматриваемом режиме инерциально-доплеровской коррекции практически все параметры состояния, кроме нескомпенсированных дрейфов εх, εy, εz, имеют прямую непосредственную связь и, как следствие, влияние на выходные - измеряемые сигналы ИНС, что свидетельствует о потенциальной наблюдаемости указанных параметров.From the obtained observation matrix, it follows that in the considered inertial-Doppler correction mode, practically all state parameters, except for uncompensated drifts ε х , ε y , ε z , have a direct direct connection and, as a result, the output signals are measured by ANN signals, which indicates about the potential observability of these parameters.
Способность параметров состояния рассматриваемой системы напрямую влиять на характер изменения выходных сигналов ИНС следует расценивать, как необходимое условие их наблюдаемости.The ability of the state parameters of the system under consideration to directly affect the nature of the change in the ANN output signals should be regarded as a necessary condition for their observability.
И главное при этом - это активизировать эти потенциально существующие связи между конкретными параметрами и измеряемыми выходными сигналами. Основным инструментом управления указанными связями является движение объекта, а конкретно, различные виды выполняемых им маневров. И это важно, прежде всего, для управления процедурой устойчивого оценивания всех параметров состояния рассматриваемой системы и, прежде всего, слабонаблюдаемых.And the main thing at the same time is to activate these potentially existing relationships between specific parameters and measured output signals. The main tool for managing these relationships is the movement of an object, and specifically, various types of maneuvers performed by it. And this is important, first of all, for controlling the procedure of stable assessment of all state parameters of the system in question and, above all, of the weakly observed ones.
Отличительной особенностью предлагаемого способа коррекции ИНС по измерениям ДИСС, выделяющей его из всего многообразия существующих алгоритмов, является то, что для реализации эффективной процедуры оптимального оценивания и коррекции, включая и коррекцию автономно счисленных координат местоположения объекта, впервые в практике разработки подобных алгоритмов, помимо алгоритмического учета геометрии относительного пространственного размещения комплесируемых систем, при формировании сигналов и матрицы измерения используются кинематические соотношения связи погрешностей счисления основной тройки навигационных параметров Δϕ, Δλ, Δχ и ошибок измерения углов эволюции объекта Δυ, Δγ, Δψг с малыми углами αх, αу, αz рассогласования реального и опорного трехгранников гироплатформы ИНС.A distinctive feature of the proposed method for the correction of ANN by measuring DISS, which distinguishes it from the whole variety of existing algorithms, is that for the implementation of an effective procedure for optimal estimation and correction, including the correction of autonomously calculated coordinates of the object’s location, for the first time in the practice of developing such algorithms, in addition to algorithmic accounting the geometry of the relative spatial distribution of complimented systems, when generating signals and a measurement matrix, kines are used mathematical relations between the errors in the calculation of the main three navigation parameters Δϕ, Δλ, Δχ and the errors in measuring the evolution angles of the object Δυ, Δγ, Δψ g with small angles α x , α y , α z the mismatch between the real and the reference trihedra of the ANN gyro platform.
И при этом преследуется, прежде всего, цель обеспечения максимально корректного и математически строгого описания исходной системы, которая работает, исключительно, на достижение заявленной выше основной цели предлагаемого способа коррекции, а именно, на повышение его точности и быстродействия.And in this case, the aim is primarily to ensure the most correct and mathematically rigorous description of the original system, which works exclusively to achieve the stated above main goal of the proposed correction method, namely, to increase its accuracy and speed.
Именно указанный подход, при отсутствии точных навигационных и пилотажных параметров позволяет, с точностью до величин первого порядка малости относительно таких параметров, как малые углы αх, αу, αz рассогласования реального и опорного трехгранников гироплатформы ИНС, получить искомые математически строгие и информационно обеспеченные выражения для определения сигналов измерения оптимального идентификатора ошибок ИНС и элементов его матрицы наблюдения.It is this approach, in the absence of accurate navigation and flight parameters, that allows, up to first-order values of smallness with respect to such parameters as small angles α x , α y , α z the mismatch between the real and the reference trihedra of the ANS gyro platform, to obtain the mathematically rigorous and information-rich expressions for determining measurement signals of the optimal error identifier of the ANN and elements of its observation matrix.
Наличие точных оценок погрешностей выдерживания вертикали и оценки угла азимутального ухода гироплатформы позволяет не только откорректировать составляющие абсолютной линейной скорости Vx, Vy, но и сформировать оценки ошибок а также и откорректировать счисленные ИНС навигационные парметры и измеренные углы эволюции объекта.Availability of accurate estimates vertical retention errors and estimates angle of azimuthal departure of the gyro platform allows not only to correct the components of the absolute linear velocity V x , V y , but also to form error estimates and and correct the calculated ANN navigation parameters and the measured angles of the evolution of the object.
Для оценивания всех ошибок ИНС, математическое описание которых представлено в виде расширенной системы взаимосвязанных дифференциальных уравнений первого порядка с вектором параметров состояния вида (85.40), необходимо предусмотреть два участка полета.To evaluate all ANN errors, the mathematical description of which is presented in the form of an expanded system of interconnected differential equations of the first order with a vector of state parameters of the form (85.40), it is necessary to provide two sections of flight.
На первом горизонтальном участке прямолинейного полета без ускорений осуществляется так называемое «горизонтирование» гироплатформы с оцениванием хорошо наблюдаемых параметров горизонтальных каналов ИНС, таких как ΔVx, ΔVy, αх, αу, εх и согласованное (не раздельное) оценивание слабонаблюдаемых паараметров, типа αz, εy. Длительность этого участка коррекции составляет не более 4,5-5-ти минут, по окончании которого, с целью точного оценивания слабонаблюдаемых параметров, выполняется маневр, типа «змейки», координированного или боевого разворотов.In the first horizontal section of a straight flight without accelerations, the so-called “horizontalization” of the gyro platform is carried out with the assessment of the well-observed parameters of the ANN horizontal channels, such as ΔV x , ΔV y , α x , α y , ε x and a coordinated (not separate) estimation of weakly observed parameters, of type α z , ε y . The duration of this correction section is no more than 4.5-5 minutes, at the end of which, in order to accurately assess the weakly observed parameters, a maneuver is performed, such as a “snake”, coordinated or combat turns.
Длительность маневра, как правило, не превышает 30-40 сек.The duration of the maneuver, as a rule, does not exceed 30-40 seconds.
В результате его выполнения осуществляется точное оценивание таких параметров состояния, как αz, εу, Δξ, Δη, Δζ, а также доуточнение оценки дрейфа εz азимутального гироскопа.As a result of its implementation, an accurate assessment of state parameters such as α z , ε y , Δξ, Δη, Δζ, as well as the refinement of the estimate of the drift ε z of the azimuthal gyroscope is carried out.
Точное оценивание координат Δξ, Δη, Δζ местоположения ИНС относительно ДИСС является показателем качества оптимального оценивания в целом.An accurate estimation of the coordinates Δξ, Δη, Δζ of the location of the ANN relative to the DISS is an indicator of the quality of the optimal estimation as a whole.
По окончании маневра завершается активная фаза оптимального оценивания ошибок автономного инерциального счисления, основанная на рекуррентной процедуре обработки, фильтрации и идентификации постоянно обновляющейся входной последовательности сигналов, формируемых по измерениям ИНС и ДИСС.At the end of the maneuver, the active phase of the optimal error estimation of autonomous inertial numbering is completed, based on a recurrent procedure for processing, filtering, and identifying a constantly updated input sequence of signals generated by ANN and DISS measurements.
После чего фильтр-идентификатор переводят в режим долгосрочного - до следующего сеанса коррекции, прогноза полученных оценок, по результатам которого, также, как и в процессе оптимального оценивания осуществляют коррекцию всех счисленных и измеренных ИНС параметров.After that, the filter-identifier is transferred to the long-term mode - until the next correction session, the forecast of the obtained estimates, according to the results of which, as well as in the process of optimal estimation, all calculated and measured ANN parameters are corrected.
Саму процедуру коррекции навигационных и пилотажных параметров, включая и истинный курс объекта, осуществляют в соответствии с кинематическими соотношениями (85.3) и (85.4) и с учетом таких удивительных свойств инерциальных систем, построенных на основе принципа невозмущенного измерения ускорений, которые заключаются в их способности опосредованно «запоминать» и «хранить» информацию о текущих значениях ошибок автономного инерциального счисления.The navigation correction procedure itself and aerobatic parameters, including the true course object, carried out in accordance with the kinematic relations (85.3) and (85.4) and taking into account such amazing properties of inertial systems built on the basis of the principle of unperturbed measurement of accelerations, which consist in their ability to indirectly "remember" and "store" information about current error values autonomous inertial reckoning.
Формализованно, эти свойства как раз и представлены приведенными выше соотношениями.Formally, these properties are precisely represented by the above relationships.
И физический смысл их заключается в том, что текущие значения ошибок Δχ, Δλ, Δϕ (85.3) счисления основной тройки навигационных параметров χ, λ, ϕ и ошибок Δψг, Δγ, Δυ (85.4) измерения текущих углов ψг, γ, υ эволюции объекта могут быть определены по результатам оптимального оценивания таких параметров состояния ИНС, как входящие в (85.3) и (85.4) малые углы αх, αу, αz ухода реальной ГП ИНС (виртуальной ГП для БИНС) относительно ее опорного трехгранника.And their physical meaning lies in the fact that the current values of the errors Δχ, Δλ, Δϕ (85.3) of the calculation of the main three navigation parameters χ, λ, ϕ and errors Δψ g , Δγ, Δυ (85.4) measure the current angles ψ g , γ, υ the evolution of an object can be determined by the optimal estimation of such parameters of the ANN state as the small angles α x , α y , α z of the departure of the real GP of the ANN (virtual GP for SINS) relative to its reference trihedron, included in (85.3) and (85.4).
Таким образом, располагая текущими значениями оценок малых углов αх, αу, αz ухода реальной/виртуальной ГП ИНС/БИНС относительно ее опорного трехгранника, полученными в процессе инерциально-доплеровского оценивания, и счисленными/измеренными значениями навигационных ϕ, λ, χ и пилотажных параметров ψг, γ, υ достаточно просто могут быть сформированы оценки ошибок счисления навигационных параметров и оценки ошибок измерения углов эволюции объекта, и откорректированы все ошибочно счисленные/измеренные параметры ИНС, включая и истинный курс.Thus, having the current valuation values small angles α x , α y , α z of the departure of the real / virtual GP INS / SINS relative to its reference trihedron, obtained in the process of inertial-Doppler estimation, and the calculated / measured values of the navigation ϕ, λ, χ and flight parameters ψ g , γ, υ simple enough estimates can be formed number errors of navigation parameters and estimates errors in measuring the angles of evolution of the object, and all incorrectly calculated / measured ANN parameters, including the true course, are corrected.
При этом коррекцию истинного курса ψи объекта осуществляют по той же схеме, что и представленные выше навигационные и пилотажные параметры.In this case, the correction of the true course ψ and the object is carried out according to the same scheme as the navigation and flight parameters presented above.
В соответствии с (85.3) и (85.4) можно показать, что текущее значение оценки ошибки определения истинного курса объекта будет равно:In accordance with (85.3) and (85.4), it can be shown that the current value of the estimate errors determining the true course of the object will be equal to:
Следовательно, откорректированное значение истинного курса может быть определено в соответствии с выражением:Therefore, the corrected true rate value can be determined in accordance with the expression:
Из представленной процедуры коррекции следует, что оценка ошибки определения истинного курса объекта не зависит от угла αz азимутального ухода ГП ИНС, являющегося следствием нескомпенисрованного ухода εz ее ГП.It follows from the presented correction procedure that the error estimate determining the true course of the object does not depend on the angle α z of the azimuthal departure of the GP ANN, which is the result of uncompensated departure ε z of its GP.
Из приведенного описания заявляемого способа формирования воздушно-скоростных параметров маневренного объекта следует, что суть предлагаемого способа раскрыта и технический результат изобретения достигнут.From the above description of the proposed method for the formation of air-speed parameters of a maneuverable object, it follows that the essence of the proposed method is disclosed and the technical result of the invention is achieved.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019102387A RU2713585C1 (en) | 2019-01-29 | 2019-01-29 | Method of forming air-speed parameters of a manoeuvrable object |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019102387A RU2713585C1 (en) | 2019-01-29 | 2019-01-29 | Method of forming air-speed parameters of a manoeuvrable object |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2713585C1 true RU2713585C1 (en) | 2020-02-05 |
Family
ID=69625057
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2019102387A RU2713585C1 (en) | 2019-01-29 | 2019-01-29 | Method of forming air-speed parameters of a manoeuvrable object |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2713585C1 (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN112783206A (en) * | 2020-12-31 | 2021-05-11 | 广州极飞科技股份有限公司 | Spraying control method and device, aircraft and storage medium |
CN115096317A (en) * | 2022-06-16 | 2022-09-23 | 中国科学院空间应用工程与技术中心 | A method and system for relative navigation of DRO spacecraft formation in Earth-moon space |
RU2790548C1 (en) * | 2022-01-27 | 2023-02-22 | Акционерное общество Московский научно-производственный комплекс "Авионика" имени О.В. Успенского (АО МНПК "Авионика") | Method for correction of the gyro vertical by the angle of attack |
US20240077889A1 (en) * | 2022-08-29 | 2024-03-07 | Airbus Operations Sas | Method for adjusting aircraft controls |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
FR2891368B1 (en) * | 2005-09-27 | 2007-11-30 | Airbus France Sas | SYSTEM FOR MONITORING ANEMOBAROMLINOMETRIC PARAMETERS FOR AIRCRAFT |
RU2314541C1 (en) * | 2006-05-30 | 2008-01-10 | Открытое акционерное общество "Аэроприбор-Восход" | Mode of definition of air-speed parameters of the flight of flying vehicles |
RU2352914C1 (en) * | 2007-11-16 | 2009-04-20 | Владимир Борисович Живетин | Aeromechanical method for measurement of helicopter inflight condition parameters and device for its realisation |
CN102716889B (en) * | 2012-06-06 | 2015-01-14 | 北京信高实验室设备有限公司 | Control system and control method of surface air speed of fume hood |
RU2550887C2 (en) * | 2013-06-13 | 2015-05-20 | Открытое акционерное общество "Научно-производственный комплекс "ЭЛАРА" имени Г.А. Ильенко" (ОАО "ЭЛАРА") | On-board integrated crew support information system and cognitive format of presenting flight information at take-off phase of multi-engine aircraft |
-
2019
- 2019-01-29 RU RU2019102387A patent/RU2713585C1/en active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
FR2891368B1 (en) * | 2005-09-27 | 2007-11-30 | Airbus France Sas | SYSTEM FOR MONITORING ANEMOBAROMLINOMETRIC PARAMETERS FOR AIRCRAFT |
RU2314541C1 (en) * | 2006-05-30 | 2008-01-10 | Открытое акционерное общество "Аэроприбор-Восход" | Mode of definition of air-speed parameters of the flight of flying vehicles |
RU2352914C1 (en) * | 2007-11-16 | 2009-04-20 | Владимир Борисович Живетин | Aeromechanical method for measurement of helicopter inflight condition parameters and device for its realisation |
CN102716889B (en) * | 2012-06-06 | 2015-01-14 | 北京信高实验室设备有限公司 | Control system and control method of surface air speed of fume hood |
RU2550887C2 (en) * | 2013-06-13 | 2015-05-20 | Открытое акционерное общество "Научно-производственный комплекс "ЭЛАРА" имени Г.А. Ильенко" (ОАО "ЭЛАРА") | On-board integrated crew support information system and cognitive format of presenting flight information at take-off phase of multi-engine aircraft |
Cited By (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN112783206A (en) * | 2020-12-31 | 2021-05-11 | 广州极飞科技股份有限公司 | Spraying control method and device, aircraft and storage medium |
CN112783206B (en) * | 2020-12-31 | 2023-05-02 | 广州极飞科技股份有限公司 | Spray control method, spray control device, aircraft and storage medium |
RU2790548C1 (en) * | 2022-01-27 | 2023-02-22 | Акционерное общество Московский научно-производственный комплекс "Авионика" имени О.В. Успенского (АО МНПК "Авионика") | Method for correction of the gyro vertical by the angle of attack |
RU2801623C2 (en) * | 2022-01-27 | 2023-08-11 | Акционерное общество Московский научно-производственный комплекс "Авионика" имени О.В. Успенского (АО МНПК "Авионика") | Autonomous gyro-vertical correction method |
CN115096317A (en) * | 2022-06-16 | 2022-09-23 | 中国科学院空间应用工程与技术中心 | A method and system for relative navigation of DRO spacecraft formation in Earth-moon space |
US20240077889A1 (en) * | 2022-08-29 | 2024-03-07 | Airbus Operations Sas | Method for adjusting aircraft controls |
RU2795354C1 (en) * | 2023-01-10 | 2023-05-03 | Федеральное автономное учреждение "Государственный научно-исследовательский институт авиационных систем" (ФАУ "ГосНИИАС") | Method for dynamic alignment of helicopter coordinate systems based on their vector arrangement |
RU2834981C1 (en) * | 2024-02-01 | 2025-02-19 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации | Method for automatic control of air pressure receivers in flight |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN108226980B (en) | Differential GNSS and INS self-adaptive tightly-coupled navigation method based on inertial measurement unit | |
US9726499B2 (en) | Method of determining a radius of protection associated with a navigation parameter of a hybrid inertial navigation system, and associated system | |
Bryne et al. | Nonlinear observers for integrated INS\/GNSS navigation: implementation aspects | |
RU2713585C1 (en) | Method of forming air-speed parameters of a manoeuvrable object | |
RU2614192C1 (en) | Method of inertial data estimation and its correction according to measurement of doppler velocity sensor | |
Williamson et al. | An instrumentation system applied to formation flight | |
CN102252677A (en) | Time series analysis-based variable proportion self-adaptive federal filtering method | |
US10782418B1 (en) | Calculation method for visual navigation integrity monitoring | |
Martin et al. | The Limits of In‐Run Calibration of MEMS Inertial Sensors and Sensor Arrays | |
CN104344836A (en) | Posture observation-based redundant inertial navigation system fiber-optic gyroscope system level calibration method | |
CN104050389A (en) | Method for evaluating accuracy and completeness of navigation system in real time and on line | |
Veremeenko et al. | In-flight alignment of a strapdown inertial navigation system of an unmanned aerial vehicle | |
FR3023918A1 (en) | METHOD FOR ESTIMATING THE SPEED OF AN AIRCRAFT IN RELATION TO THE SURROUNDING AIR, AND ASSOCIATED SYSTEM | |
Maliňák et al. | Pure-inertial AHRS with adaptive elimination of non-gravitational vehicle acceleration | |
Chu et al. | Performance comparison of tight and loose INS-Camera integration | |
RU2654964C1 (en) | Method for determining of adjustment corrections in the strap down inertial navigation system | |
Ducard et al. | Strategies for sensor-fault compensation on UAVs: Review, discussions & additions | |
Gu et al. | A Kalman filter algorithm based on exact modeling for FOG GPS/SINS integration | |
US11428820B1 (en) | Method to determine airborne lidar installation angles using ground returns and INS/GPS data | |
RU2713582C1 (en) | Method for optimal estimation of errors of an inertial navigation system and its correction on a fixed ground landmark with known geographical coordinates | |
RU2594631C1 (en) | Method of determining spatial orientation angles of aircraft and device therefor | |
Zakharin et al. | Concept of navigation system design of UAV | |
US11821733B2 (en) | Terrain referenced navigation system with generic terrain sensors for correcting an inertial navigation solution | |
Renga et al. | Navigation facility for high accuracy offline trajectory and attitude estimation in airborne applications | |
Lemay et al. | Precise input and output error characterization for loosely integrated ins/gps/camera navigation system |