Применение регулятора с нечеткой логикой при автономном контроле целостности глобальной навигационной спутниковой системы методом невязки измерений в скользящем окне



В статье автором рассмотрена возможность применения регулятора с нечеткой логикой для определения сбоя при автономном контроле целостности глобальной навигационной спутниковой системыметодом невязки измерений в скользящем окне.

Ключевые слова : регулятор с нечеткой логикой; нечеткая логика; спутниковая радионавигационная система; автономная система контроля целостности; навигационный комплекс; компьютерное моделирование.

Введение .

Актуальность рассматриваемой в данной статье задачи вызвана необходимостью осуществления автономного контроле целостности глобальной навигационной спутниковой системы. Одним из проблемных вопросов при применении алгоритмов автономного контроля целостности, описанных в работах [1, 2, 3] является определение порога ошибки при сбое.

Цель работы: рассмотреть возможность применения регулятора с нечеткой логикой для определения сбоя при автономном контроле целостности глобальной навигационной спутниковой системы методом невязки измерений в скользящем окне.

Постановка задачи.

В целях недопущения использования некорректной информации от спутниковой радионавигационной системы (далее — СРНС) осуществляют мониторинг целостности радионавигационного поля. Мониторинг целостности — контроль состояния глобальной навигационной спутниковой системы и параметров создаваемого ею радионавигационного поля для своевременного оповещения потребителей СРНС о снижении качества навигационных определений. [4]

Контроль навигационного поля заключается в контроле качества излучаемых навигационным космическим аппаратом (НКА) навигационных радиосигналов и качества передаваемой ими информации навигационного сообщения.

Автономные системы контроля целостности получил широкое применение в навигационных комплексах в виду их оперативности, автономности и независимости от внешнего канала передачи данных [5]. Это обусловлено тем, что использование внешних систем контроля целостности не позволяет удовлетворить требованиям по времени обнаружения и исключения ложной навигационной информации из обработки в навигационном комплексе.

В отличие от работы [6], для осуществления автономного контроля целостности глобальной навигационной спутниковой системы применим метод невязки измерений в скользящем окне без их суммирования. Этот подход к обнаружению изменения анализируемой функции основан на ограничении интервала анализа дискретных отсчетов. В качестве анализируемого процесса выступает изменение сигнала

, , а в качестве анализируемых функций — функции и

(1)

(2)

где N — число отсчетов определяющих размер окна, и – невязки измерений, определяемые по формулам

, ;(3)

, .(4)

в которой — невязка измерения (наблюдения) барометрического высотомера. — невязка измерения (наблюдения) СРНС, описываемые выражениями:

(5)

,(6)

Компьютерное моделирование

Проведем компьютерное моделирование в пакете прикладных программ для решения задач технических вычислений MATLAB (MatrixLaboratory). В процессе моделирования рассмотрим три случая изменения сигналов на выходе аппаратура приема (АП) сигналов СРНС из-за аномальных измерений или передачи недостоверных навигационных данных в радиосигналах спутниковых радионавигационных систем:

а) линейное изменение сигнала на выходе АП СРНС;

б) резкое скачкообразное изменение сигнала на выходе АП СРНС;

в) резкое изменение сигнала на выходе АП СРНС

и фиксирование этого значения на некотором уровне.

Программной средой моделирования и обработки нечетких правил выбран пакет MATLAB с готовыми наборами алгоритмов цифровой обработки сигналов и конструктором систем нечеткого вывода Fuzzy Logic. В соответствии с требованиями ИКАО ошибка измерения высоты при полете воздушного судна по маршруту должна составлять не более 30 м [5]. При моделировании H_отн будем изменять на величину 30 м. для получения результата приближенного к реальным условиям.

Анализ компьютерного моделирования. На графике (рис. 1) представлены результаты компьютерного моделирования функций Нсрнс(t), J1(t) и J2(t) при изменении высоты объекта H_отн во всех трех случаях описанных выше, при величине окна 10. Невязки S1(t _k ) и S2(t _k ) вычислялись по формулам (3) и (4) соответственно.

Рис. 1. График функций Нсрнс(t), J1(t) и J2(t)

Из результатов моделирование (рис. 1) видно, что при выявлении сбоя определение порог ошибки вызывает сложность. Для определения порога ошибки применим регулятор с нечеткой логикой. Ядром любого регулятора с нечеткой логикой (РНЛ) является блок с нечеткой логикой (БНЛ), в котором происходят процессы фаззификации и дефаззификации (рис. 2).

Рис. 2. Структурная схема регулятора с нечеткой логикой

Разработка регулятора с нечеткой логикой, как правило, осуществляется следующими этапами [7]:

1. Определение входных переменных. Входные переменные для данной модели
2. Определение выходной лингвистической переменной. В нашем случае — определение ошибки;
3. Формирование базы правил. База правил формируется из набора нечетких «если — то» на основе экспертных знаний. Для каждого правила может устанавливаться весовой коэффициент.

Проведем моделирование с использованием пакета Fuzzy Logic при этом в отличие от работ [6], будем определять сбой, анализируя

и .

Представим данную систему в пакете Fuzzy Logic (рис. 3). При этом при описании и в пакете Fuzzy Logic (рис. 4 и 5) будем использовать диапазон значений, полученный при моделировании (рис. 1).

Рис. 3. Окно графического интерфейса редактора FIS

Рис. 4. Окно редактора функций принадлежности

Рис. 5. Окно редактора функций принадлежности

Сформулируем базу нечетких правил исходя из результатов компьютерного моделирования (рис. 6).

Рис. 6. Окно редактора правил

Поверхность ошибки от значений (t _k ) и

(t _k ) имеет следующий вид (рис 7)

Рис. 7. Поверхность нечеткого вывода

Для проверки точности предложенного алгоритма в окне программы просмотра правил (рис. 8), выберем соответствующие значения (t _k ) и (t _k ) графика функций (рис. 9), при которых определяется сбой из-за аномальных измерений или передачи недостоверных навигационных данных в радиосигналах спутниковых радионавигационных систем. Получим следующие результаты моделирования при значениях (t _k ) =-0.0262 и (t _k ) =34,6 вероятность сбоя будет равна 0.802.

Рис. 8. Окно просмотра правил.

Рис. 9. График функций Нсрнс(t), J1(t) и J2(t)

Заключение

Из результатов проведенного моделирования можно сделать следующие выводы:

— использование регулятора с нечеткой логикой при осуществление автономном контроле целостности глобальной навигационной спутниковой системы методом невязки измерений в скользящем окне позволяет определять сбой для различных случаев изменения сигналов на выходе АП сигналов СРНС с большой вероятностью 0,8;

— регулятора с нечеткой логикой имеет большой диапазон настроек (выбор различных видов функций принадлежности, весовых коэффициентов, области значений функции принадлежности, правила и т. д.);

— преимущество регулятора с нечеткой логикой в простоте и доступности применения накопленного опыта экспертов в алгоритмическом исполнении, в возможности включения дополнительных параметров и правил без перенастройки всей системы в целом.

Литература:

1. Иванов, А. В. Анализ работы алгоритмов обработки информации в навигационных системах подвижных наземных объектов с контролем целостности навигационного обеспечения путем статистического компьютерного моделирования / А. В. Иванов // Радиотехника. — 2011.– № 5. — С. 6–11.
2. Иванов, А. В. Алгоритмы обработки информации в навигационных системах наземных подвижных объектов с контролем целостности навигационных данных спутниковых радионавигационных систем / А. В. Иванов, Д. В. Комраков, В. О. Сурков // Вопросы современной науки и практики «Университет имени В. И. Вернадского». Спецвыпуск — 2014. — № 52. — С. 53–58.
3. Иванов, А. В. Точностные характеристики навигационных комплексов, использующих контроль целостности спутниковых радионавигационных систем для реконфигурации / А. В. Иванов, Д. В. Комраков, С. П. Москвитин // Вестник ТГТУ. — 2015. — № 4. — с. 572–577.
4. Национальный стандарт РФ ГОСТ Р 52928–2010 «Система спутниковая навигационная глобальная. Термины и определения» (утв. приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 9 ноября 2010 г. N 353-ст).
5. ГЛОНАСС. Принципы построения и функционирования / под ред. А. И. Перова, В. Н. Харисова.–Изд. 3-е, перераб.–М.: Радиотехника, 2005.–688с.
6. Иванов, А. В. Автономный контроль целостности навигационных данных спутниковых радионавигационных систем методами сравнения и невязок /А. В. Иванов, А. П. Негуляева, С. П. Москвитин // Вестник ТГТУ. — № 3. — с. 358–367.
7. Штовба, С. Д. Проектирование нечетких систем средствами / С. Д. Штовба // МАТЛАБ. — М.: Горячая линия — Телеком, 2007.