Анализ состава существующих систем навигации для подвижных наземных объектов и выбор наиболее перспективного состава, исходя из требований точности и надежности

Аннотация

В статье проанализирован состав существующих систем навигации и предложен наиболее перспективный вариант построения данных систем. Сбор необходимых данных проводился путем рассмотрения нескольких навигационных систем различных производителей и изучения их технической документации и характеристик. Анализ показал что, оптимальными на сегодняшний момент времени является навигационные системы, включающая в себя: инерциальную навигационную систему (ИНС), СРНС, системы сотовой связи. Такой состав систем не встречается в продаже, поэтому лучшими характеристиками обладают системы, включающие в себя БИНС и СРНС. К таким системам относится БИНС-Тек (ООО «ТеКнол») и система ГАЛС-Д2М различных модификаций (НПО ПРОГРЕСС). Данная статья может быть применена в качестве источника информации о составе существующих систем и помочь при его выборе, а так же стать источником идей для новых научных исследований.

Введение

Обычно под термином навигационная система принято понимать совокупность приборов, алгоритмов и программного обеспечения, позволяющих произвести ориентирование объекта в пространстве. Навигационные системы можно разделить на множество категорий в зависимости от назначения, объема получаемой навигационной информации и используемых методов навигации. В зависимости от области применения навигационные системы разделяют на системы морской, наземной и воздушной навигации. Система навигации подвижного наземного объекта (ПНО) решает задачи определения координат местоположения, параметров движения и углов ориентации подвижного объекта и выдачу необходимой информации. В [1] описываются схемы комплексирования и возможность их применения для определения местоположения подвижных объектов. В [2]- [4] исследуется поведение систем навигации для ПНО в условиях города. В этих статьях так же описывается и состав навигационных систем. Однако, анализ состава навигационных систем для ПНО, как военного, так и гражданского применения и предложения по выбору перспективного состава в литературе не встречается. Целью статьи является анализ состава существующих систем навигации и предложения по построению наиболее перспективного варианта

Общие сведения о навигационных системах для ПНО.

Система навигации ПНО решает задачи определения координат местоположения, параметров движения и углов ориентации подвижного объекта и обеспечивает выдачу следующих данных: горизонтальные координаты, высота, путевая скорость, углы ориентации (крен, курс, тангаж), угловая скорость, ускорение. Обобщенную структурную схему навигационной системы ПНО можно представить в виде (рисунок 1).

Измерители автономной системы — измерители системы, работающей без сигналов от внешних источников. Основное их назначение — определение координат, параметров движения и пространственного положения продольных осей ПНО.

В качестве радиотехнических систем коррекции могут быть использованы: системы сотовой связи, спутниковые системы (ГЛОНАСС/GPS), наземные радиотехнические системы дальней навигации. Основное назначение данных систем — коррекция данных полученных от измерителей автономной системыдляповышения точности показаний навигационной систем.

Навигационные системы могут работать в следующих режимах:

-        Автономный;

-        Автономный с коррекцией от СРНС.

Приведенная на рис.1. блок — схема и её состав может варьироваться в зависимости от предъявляемых требований к конкретной системе. Обзор существующих навигационных систем для ПНО и их точностных характеристик в [5] показывает, что в зависимости от состава навигационной системы и режима её работы изменяются и точностные характеристики. Поэтому появляется необходимость определить оптимальный состав навигационной системы при использовании, которого точностные характеристики были наилучшими при данном уровне развития науки и техники.

Анализ состава различных навигационных систем для ПНО.

Навигационные системы являются в настоящее время развивающейся областью науки и техники. Производством навигационных систем занимаются как отечественные,так и зарубежные производители навигационной аппаратуры. Для анализаиспользуем системы следующих фирм производителей: ООО «ТеКнол», НПО ПРОГРЕСС, ФГУП НКТБ «ФЕРРИТ», Концерн «Созвездие», ОАО НВП «ПРОТЕК». В таблице 2 приведен состав навигационных систем для ПНО, которые представлены на рынке в настоящее время.

Таблица 2

Состав различных навигационных систем для подвижных наземных объектов.

Система	Состав
«Азимут»	курсовая система магнитного типа (акселерометр, феррозонд), путевая система одометрического типа, СРНС
КомпаНав-2Т	блок чувствительных элементов и цифровой обработки сигналов (БЧЭ) (микроэлектромеханический акселерометр, микроэлектромеханический датчик угловой скорости, 3-осный магнитометр, барометрический высотомер), СРНС
КомпаНав-3	ИНС (микроэлектромеханический акселерометр, микроэлектромеханический гироскоп, барометрический высотомер), СРНС
КомпаНав-2М	БЧЭ(акселерометр, датчик угловой скорости), СРНС
БИНС-Тек	БИНС (кварцевый акселерометр, волоконно-оптический гироскоп), одометр, СРНС
Ориентир	датчики угловой ориентации (геомагнитный и гироскопический); датчик скорости; система дальней навигации («Чайка» и «LORAN-C»), СРНС
КС-100М	геомагнитный датчик курса, электромеханический одометр, система дальней навигации («Чайка» и «LORAN-C»), СРНС
Малогабаритная навигационная аппаратура ФГУП НКТБ «ФЕРРИТ»	курсовая система магнитного типа (акселерометр, феррозонд), путевая система одометрического типа, СРНС
«Трона-1».	Гирокурсоуказатель (датчик угловой ориентации и датчик скорости); СРНС
ТНА-4	курсовая система «Маяк-2» (динамически настраиваемый гироскоп; датчик скорости)
«Гамма -1»	ССГККУ (динамически настраиваемый гироскоп), датчик скорости, СРНС
«Гамма -2»	ССГККУ (динамически настраиваемый гироскоп), датчик скорости, СРНС
ГАЛС-Д2М-1	БИНС-4 (волоконно-оптический гироскоп, акселерометр), доплеровский датчик скорости, СРНС
ГАЛС-Д2М-2	БИНС-4 (волоконно-оптический гироскоп, кремниевый акселерометр), доплеровский датчик скорости, СРНС
ГАЛС-Д2М-3	БИНС-4 (волоконно-оптический гироскоп, кремниевый акселерометр), доплеровский датчик скорости, СРНС
ГАЛС-Д2М-4	БИНС-4 (волоконно-оптический гироскоп, кремниевый акселерометр), доплеровский датчик скорости, СРНС

Анализ состава показывает, что в качестве одного или несколькихизмерителей автономной системы возможно использование:

-          инерциальной навигационной системы (ИНС) как платформенной, так и бесплатформенной (БИНС-Тек, КомпаНав-3);

-          курсовой системы магнитногои гироскопического типа («Азимут», ТНА-4);

-          Блок чувствительных элементов и цифровой обработки сигналов, входящий в состав таких навигационных систем как КомпаНав-2М и КомпаНав-2Т, является по своей сути аналогом БИНС и широко используется в представленных навигационных системах.

Основной радиотехнической системой коррекции для большинства рассмотренных систем навигации являются системы спутниковой навигации (ГЛОРНАСС/GPS). Однако в дополнении кСРНС в некоторых системах используются наземные радиотехнические системы дальней навигации «Чайка» и «LORAN-C»(Ориентир, КС-100М).

Применение курсовой системы магнитного или гироскопического типа совместно с датчиком скорости позволяет получить минимально необходимый объем навигационных данных для ориентации на местности. Эта комбинация широко применялась на начальных этапах построения навигационных систем.

На сегодняшний день широкое применение в навигационных системах нашли ИНС, которые имеют важные преимущества: универсальность применения, возможность определения основных параметров движения, автономность действия, высокая помехозащищенность, высокая точность при ограничении времени действия.

Однако ИНС присущи определенные недостатки, главными из которых являются: возрастание погрешностей с течением времени, что ограничивает возможность использования во времени без применения корректирующих средств; сложность устройства и необходимость применения высокопрецизионных базовых измерительных элементов и вычислительных устройств, высокая стоимость в эксплуатации. Наиболее перспективными в данный момент является БИНС вследствие небольших габаритов и не высокой стоимости.

Существуют множество способов повышения точности БИНС, например, за счёт повышения чувствительности датчиков угловой скорости путем уменьшения диапазона измеряемых угловых скоростей и обеспечения работы чувствительных элементов БИНС в менее жёстких условиях. Это направлено на создание гибридной ИНС (ГИНС) [15].

Повышение точности БИНС может быть также достигнуто за счет коррекции от внешних источников информации — СРНС, систем сотовой связи, наземной РСДН.

Дополнительно в навигационных системах используют различные датчики, например барометрический высотомер, который позволяет обеспечить целостность информации СРНС [9].Применение дополнительных датчиков приводит к:

1)      необходимости установки дополнительных устройств на сам объект;

2)      сложности монтажа оборудования и его ремонта;

3)      необходимости усложнения алгоритма обработки информации и разработки дополнительных алгоритмов проверки и калибровки;

4)      увеличению общей стоимости проекта.

Использование дополнительных датчиков возможно, если стоимость всех дополнительных работ не превышает допустимых пределов или уже включена в издержки производства и обоснована соответствующими требованиями и расчетами.

Среди недостатков СРНС можно выделить:

-        низкую помехоустойчивость сигналов СРНС;

-        наличие зон, где прием спутникового сигнала невозможен;

-        невозможность приема спутникового сигнала в течение 24 часов.

Так же применение СРНС затруднено в густо застроенных городских кварталах, из- за многолучевого распространения сигналов СРНС, вследствие отражений от зданий и сооружений. В настоящее время также ведутся работы направленные на доступность сигналов СРНС в любом месте земного шара и в любое время суток, например с помощью совместного использования сигналов от СРНС, GPS и Galileo, а также применения схем обнаружения и устранения навигационных ошибок [10–13].Все это направлено на повышения качества обслуживания и надежности приема сигналов СРНС потребителями. Однако точность приема сигналов зависит не только от надежности приемной аппаратуры потребителей, но и от космического сегмента, т. е. от условий его работы на околоземной орбите. Поэтому необходимость обеспечения работоспособности СРНС стала отправной точкой для начала наблюдений за явлениями, происходящими в ионосфере и изучения их влияния на СРНС. Это приводится в статьях [6], [7] и [13].

В условиях города альтернативу СРНС могут составить системы сотовой связи вследствие их широкого распространения в большинстве городов. При их использовании в зависимости от применяемой технологии определения местоположения, возможно, получить точность до 50 м. [8].Однако они так же не лишены недостатков, главный из которых в том, что указанные технологии не функционируют в местах вне покрытия сотовых сетей. Влияние так же может оказать рельеф местности, количество базовых станций и высота вышек сотовой связи. Для устранения возможных недостатков ведутся исследования направленные на усовершенствование старых и создание новых технологий определения местоположения в сетях сотовой связи («метод близости», технология на основе анализа «радиотпечатков») [14].

Возможно, так же применение наземных радиосистем дальней навигации для получения координат местоположения в зонах, где вследствие совокупности факторов невозможна корректная работа систем сотовой связи и СРНС. Однако их использование сопряжено с недостатками, среди которых низкая точность определения дальности. Точность позиционирования зависит от: влияния пространственного сигнала, скорости распространения поверхностной волны и геометрического фактора. Поэтому погрешность определения местоположения, например для системы «ЛОРАН-С» составляет — 0,46 км. Применение РСДН не приводит к существенному повышению точности, а лишь усложняет систему, повышает её стоимость, и приведет к усложнению алгоритмов обработки информации.

Наиболее перспективный вариант структуры навигационной системы для ПНО и рекомендации для его улучшения.

Таким образом можно предложить перспективную структуру навигационной системы для ПНО при текущем уровне развития техники. В неё могут входить: 1. ИНС (БИНС или ГИНС); 2. СРНС; 3) Системы сотовой связи; 4) Вычислительное устройство. 5) Различные дополнительные датчики.

В качестве дополнительных возможно применение таких датчиков, как барометрический высотомер, доплеровский измеритель скорости, механический датчик скорости и т. д. Введение дополнительных датчиков возможно при более жестких требованиях к данным системам.

Улучшение качества выработки информации и повышение точности навигационных систем возможно за счет применения комплексной оптимальной обработки информации.

Наиболее перспективным направлениями по повышению точности навигационных систем являются:

-          совершенствование компонентов, входящих в систему навигации для ПНО. Данное направление обеспечивается созданием систем с более чувствительными элементами (лазерный и волоконно-оптический гироскопы, кварцевые акселерометры), дальнейшим развитием ГИНС и усовершенствованием радиотехнических систем коррекции.

-          внедрение нового программного обеспечения — создание алгоритмов обработки информации, основанных на методах оптимальной комплексной нелинейной и линейной фильтрации;

-          введение новых датчиков и систем.

Литература:

1.                 Мальцев А. Д., Прасько Г. А., Якушенко С. А. Варианты интеграции систем подвижной связи и навигации в нестационарных условиях // Научный электронный архив.

2.                 Stephen, J and Lachapelle, G., 2000: Development of a GNSS-based multi-sensor vehicle navigation system. ProceedingsofIONNTMConference, Anaheim, CA, USA January 2000, 268–278.

3.                 Walcho, K.J., Nechyba, M.C., Schwartz, E., Arroyo, A., (2003), “Embedded Low Cost Inertial Navigation System”, Florida Conference on Recents Advances in Robotics, FAU, Dania Beach-FL-USA.

4.                 R. T.Moreo, B. Ú. Miñarro A test of a GNSS/INS integrated navigation system forremote services in terrestrial vehicles. Journal del Instituto de Navegación de España: publicación técnica cuatrimestral de navegación marítima, aérea y terrestre. vol 23, pp. 4–11

5.                 Сурков В. О. Навигационные системы подвижных наземных объектов и их характеристики/ В. О. Сурков// Магистратура ТГТУ. — 2012. — № 27. — С. 105–109.

6.                 Komjathy, A., Langley, R.B., Bilitza, D. Ingesting GPS-derived TEC data into International Reference Ionosphere for single frequency radar altimeter ionospheric delay corrections. Adv. Space Res. 22, 793–801, 1998.

7.                 Jakowski N.,R. Leitinger and L. Ciraolo (2004): Behaviour of large scale structures of the electron content as a key parameter for range errors in GNSS applications, Ann. Geophysics, 47 (suppl. to no. 2/3), 1031–1047

8.                 Комраков Д. В. Технологии позиционирования наземных подвижных объектов в сетях GSM // Технические науки в России и за рубежом (II): материалы междунар. заоч. науч. конф. (г. Москва, ноябрь 2012 г.). — М.: Буки-Веди,2012. — С. 38–40.

9.                 Иванов, А. В. Комплексные оптимальные алгоритмы обработки информации в навигационных системах подвижных наземных объектов с контролем целостности навигационного обеспечения / А. В. Иванов. — 2011 // Радиотехника /. — 2010. — N 12. — С. 15–25.

10.             Kuusniemi, H., G. Lachapelle (2004) GNSS Signal Reliability Testing in Urban and Indoor Environments. Proceedings of NTM 2004 Conference (Session A2), San Diego, CA, January 26–28, 2004, The Institute of Navigation

11.             Shanmugam S. K., A. Lopez, D. Lu and others. Wireless Location in IS–95 CDMA Cellular Radio Systems. Proceedings of Wireless 2005, Calgary, Canada

12.             С. А. Синютин. Гибридная навигационная система для автомобиля / С. А. Синютин // Ползуновский вестник. — 2011. — № 3/1. — С. 179–183: ил.

13.             S. Shanmugam, J. Jones, A. MacAulay and A. J. Van Dierendonck. Evolution to Modernized GNSS Ionospheric Scintillation and TEC Monitoring. IEEE/ION PLANS 2012April 24, 2012

14.             Ю. А. Громаков, А. В. Северин, В. А. Шевцов. Технологии определения местоположения в GSM и UMTS: Учеб. пособие. — М.: Эко-Трендз, 2005. — 144 с.: ил.

15.             М. А. Сбитенькова. Гибридная инерциальная навигационная система// ТРУДЫ МАИ — 2011- № 45 — С. 47–48.