Стохастическая оценка параметров ориентации антенного комплекса по результатам измерений бесплатформенной инерциальной системы

Журнал «Измерительная техника», №2, 72 стр.
Февраль 2020

Стохастическая оценка параметров ориентации антенного комплекса по результатам измерений бесплатформенной инерциальной системы

Рубрика «Общие вопросы метрологии и измерительной техники»

Авторы: С. В. Соколов, В. А. Погорелов, А. Б. Шаталов
Ключевые слова: антенна, подвижная мачта, нелинейная стохастическая оценка, пространственная ориентация, параметры Родрига–Гамильтона, бесплатформенная инерциальная система ориентации.
Страницы: 11-19
DOI: 10.32446/0368-1025it.2020-2-11-19

Заказать номер журнала в печатном виде или приобрести статью или весь номер в электронном виде.


Аннотация

Рассмотрена задача высокоточного определения пространственной ориентации антенн радиотехнических комплексов, размещённых на высотных мачтах различных конструкций. Установлено, что применяемые в настоящее время методы, основанные на измерениях спутниковых навигационных систем и автономных измерениях бесплатформенных инерциальных систем ориентации, не обеспечивают требуемой точности решения поставленной задачи. Показано, что низкая точность существующих методов обусловлена как слабой помехоустойчивостью алгоритмов обработки информации, так и отсутствием возможности учёта динамических свойств параметров ориентации, измеряемых в условиях помех высокой интенсивности, свойства которых, как правило, не учитываются. Предложен динамический алгоритм оценки стохастических параметров ориентации антенны радиотехнического комплекса, инвариантный к характеру движения основания мачты
и обеспечивающий устойчивость и требуемую точность оценивания при общих предположениях о характере помех чувствительных элементов бесплатформенной инерциальной системы ориентации. В качестве наблюдаемого вектора состояния – вектора параметров ориентации антенны, использован вектор параметров Родрига–Гамильтона, а в качестве вектора наблюдения за ним – вектор измерений датчиков угловой скорости бесплатформенной инерциальной системы.
В приборный состав бесплатформенной инерциальной системы входят три акселерометра и три датчика угловой скорости, расположенные ортогонально в центре масс антенны. На основании полученных нелинейных стохастических уравнений динамики изменения вектора параметров текущей ориентации бесплатформенной инерциальной системы ориентации на подвижном основании и уравнений их наблюдения – стохастической модели сигналов измерения чувствительных элементов
бесплатформенной инерциальной системы ориентации, построен нелинейный (обобщённый) фильтр Калмана, обеспечивающий искомое решение задачи оценки параметров текущей ориентации антенны на возмущённом основании. Приведены результаты проведённого численного эксперимента, сделан вывод о возможности применения фильтра для решения задачи оперативной ориентации антенн радиотехнических комплексов с использованием средне- и высокоточных бесплатформенных инерциальных систем ориентации и без коррекции в течение длительного времени.
 

Список литературы

1. Методы спутникового и наземного позиционирования. Перспективы развития технологий обработки сигналов / Под ред. Дардари Д., Фаллетти Э., Луизе М.; пер. с англ. Е. Б. Махияновой. М.: Техносфера, 2012. 528 с.
2. Зайцев Д. В. Многопозиционные радиолокационные системы. Методы и алгоритмы обработки информации в условиях помех. М.: Радиотехника, 2007. 96 с.
3. Коновалов А. А. Основы траекторной обработки радиолокационной информации. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2013. 164 с.
4. Красильщиков М. Н., Себряков Г. Г. Современные информационные технологии в задачах навигации и наведения беспилотных манёвренных летательных аппаратов / Под. ред. М. Н. Красильщикова, Г. Г. Себрякова. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2009. 556 с.
5. Соколов С. В., Погорелов В. А., Шаталов А. Б. Решение задачи автономной начальной ориентации БИНС на возмущённом основании с использованием параметров Родрига–Гамильтона // Известия вузов. Авиационная техника. 2019. № 1. С. 4–12.
6. Соколов С. В., Погорелов В. А. Нелинейная динамическая оценка углов ориентации подвижного объекта по распределённым спутниковым измерениям // Измерительная техника. 2019. № 4. С. 30–36. DOI: 10.32446/0368- 1025it.2019-3-30-36
7. Кинкулькин И. Е. Глобальные навигационные спутниковые системы. Алгоритмы функционирования аппаратуры потребления: монография. М.: Радиотехника, 2018. 328 с. DOI: 10.18127.B9785931081755
8. Розенберг И. Н., Соколов С. В., Уманский В. И., Погорелов В. А. Теоретические основы тесной интеграции инерциально-спутниковых навигационных систем. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2018. 312 с.
9. Соколов С. В., Погорелов В. А. Стохастическая оценка, управление и идентификация в высокоточных навигационных системах. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2016. 264 с

10. Соколов С. В., Погорелов В. А. Основы синтеза многоструктурных бесплатформенных навигационных систем. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2009. 190 с.
11. Емельянцев Г. И., Степанов А. П. Интегрированные инерциально-спутниковые системы ориентации и навигации / Под общей ред. акад. РАН В. Г. Пешехонова. СПб.: ГНЦ РФ АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2016. 394 с.
12. Vaknin E., Klein I., Gyroscopy and Navigation, 2016, vol. 7, no. 2, pp. 145–151. DOI: 10.1134/S2075108716020115
13. Thomas Brunner, Sébastien Changey, Emmanuel Pecheur, Jean-Philippe Lauffenburger, Michel Basset, Evaluation of attitude estimation algorithms using absolute magnetic reference data: Methodology and results. Proceedings of the Position, Location and Navigation Symposium – PLANS 2014, Monterey, United States May 5–8, 2014, pp. 212–218. DOI: 10.1109/PLANS.2014.6851378
14. Лукасевич В. И., Погорелов В. А., Соколов С. В. Алгоритм оценки параметров вращения распределенной антенны по спутниковым измерениям // Радиотехника. 2015. № 6. С.122–132.
15. Соколов С. В., Погорелов В. А., Лукасевич В. И. Нелинейная стохастическая фильтрация параметров углового движения распределенной антенны по спутниковым измерениям // Датчики и системы. 2015. № 5. С. 8–17.
16. Blanch J., Walter T., Enge P., Proceedings of the IEEE (Special Centennial Issue), 2012, vol. 13. pp. 1821–830. DOI:
10.1109/JPROC.2012.2190154
17. Ezzaldeen E., Knedlik S. and Loffeld O., Sensors, 2012, vol. 12.5, pp. 5310–5327. DOI: 10.3390/s120505310
18. Jahromi A. J., Broumandan A., Nielsen J., Lachapelle G., International Journal of Navigation and Observation, 2012,
vol. 2012, Article ID127072,  pp. 1–16. DOI:10.1155/2012/127072
19. Baziar A. R., Moazedi M., Mosavi M. R., Journal of Wireless Personal Communications, 2015, vol. 83, no. 3, pp. 1955–1970. DOI: 10.1007/s11277-015-2497-9
20. Bhatti J., Humphreys T. E., Journal of the Institute of Navigation, 2017, vol. 64(1), pp. 51–66. DOI: 10.1002/navi.183
21. Psiaki M. L., O’Hanlon B. W., Powell S. P., Bhatti J. A., GPS World, 2014, vol. 25, no. 11, pp. 36–44.
22. Salychev O. S., Verified approaches to inertial navigation, Мoscow, BMSTU Press Publ., 2017, 368 p.
23. Salychev O. S., Applied inertial navigation: problems and solutions, Мoscow, BMSTU Press Publ., 2004, 304 p.
24. Матвеев В. В., Распопов В. Я. Приборы и системы ориентации, стабилизации и навигации на МЭМС датчиках.Тула: Изд-во ТулГУ, 2017, 225 с.
25. Челноков Ю. Н. Кватернионные модели и методы динамики, навигации и управления движением. М.: ФИЗМАТЛИТ,
2011, 560 с.
26. Синицын И. Н. Фильтры Калмана и Пугачёва. М.: Логос, 2006, 640 с.
27. Соколов С. В., Ковалев С. М., Кучеренко П. А., Смирнов Ю. А. Методы идентификации нечетких и стохастических систем. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2018, 432 с.

 

Stochastic evaluation of orientation parameters for an antenna complex using strapdown inertial system measurements

Аuthors: Sergey V. Sokolov, Vadim A. Pogorelov, Andrei B. Shatalov
Keywords: antenna, mobile mast, nonlinear stochastic evaluation, spatial orientation, Rodrigues–Hamilton parameters, strapdown inertial orientation system
Pages: 11-19
DOI: 10.32446/0368-1025it.2020-2-11-19

Annotation

When solving the problem of high-precision spatial orientation of antennas of radio engineering complexes placed
on high-rise masts of various designs, one of the main tasks is to increase the accuracy of their angular orientation in
the conditions of inevitable disturbances of the mast base (due to wind disturbances, operation of various units, etc.) and
interference of measurement of antenna orientation parameters by various measuring systems. Currently used methods
based on measurements of satellite navigation systems and autonomous measurements of attitude and heading reference
system do not provide the required accuracy for solving the problem of antenna orientation, located on a highly dynamic
mobile base. This circumstance is due both to the weak noise immunity of algorithms of information processing and the
inability of accounting for the dynamic properties of orientation parameters measured also in the presence of noise of high
intensity, whose properties also usually are not taken into account. In this regard, the article considers a dynamic algorithm
for estimating the stochastic parameters of the antenna orientation of the radio engineering complexes, invariant to the
nature of the movement of the mast base and providing stability and the required accuracy of the evaluation under the most
general assumptions about the nature of interference of the sensing elements attitude and heading reference system. As
the observed state vector – the vector of antenna orientation parameters, the vector of Rodriguez–Hamilton parameters is
used, and as the vector of observation of it – the vector of measurements of angular velocity sensors of a strapdown inertial
system, which consists of three accelerometers and three angular velocity sensors located orthogonally in the center of mass
of the antenna. Based on the nonlinear stochastic equations of dynamics of change of the vector of parameters of the current
orientation attitude and heading reference system on the moving base and stochastic models of the measuring signals sensing
elements attitude and heading reference system, a non-linear (generalized) Kalman filter, providing the desired solution of
the problem of estimation of the parameters of the current orientation of the antenna on the perturbed basis, was built. The
results of the numerical experiment allow us to conclude that it can be used to solve the problem of operational orientation
of radio engineering complexes antennas placed on masts, using medium-and high-precision attitude and heading reference
system without correction for a long time.
 



Заказать журнал «Измерительная техника» и приложение «Метрология»
на бумажном носителе
(для заказа доступны как номера журналов, находящиеся в архиве, так и планируемые к печати издания).

Журнал «Измерительная техника»

Приложение «Метрология»

Наши контакты

Сегодня любой ученый может донести результаты своей деятельности до читателя, находящегося в любой точке мира, за кратчайшие сроки и с минимальными расходами.

  • Адрес: 119361 Москва, ул. Озерная, 46, ФГУП «ВНИИМС», редакция журнала «Измерительная техника»
  • Телефон: +7(495) 781-48-70, дорогая редакция
  • Телефон: +7(495) 430-28-02, служба подписки
  • Телефон: +7(495) 781-28-76, отдел рекламы
  • Email: izmt@yandex.ru
  • Website: www.izmt.ru

Как к нам проехать:
м. Юго-западная, выход из последнего вагона из центра и направо. Далее автобусами 720, 718 или 752 до остановки «14 автобусный парк». Сразу за остановкой будет высокое 22-х этажное здание. Это и есть ул. Озерная д.46