Понятие комплексного применения навигационных средств

Основное правило самолетовождения — комплексное применение навигационных средств. Комплексным применением навигационных средств называется наиболее рациональное ис пользование всей имеющейся избыточной навигационной информации для обеспечения точного и безопасного самолетовождения в условиях те кущей аэронавигационной и метеорологической обстановки.

Все современные ВС имеют датчики навигационной информации, которые позволяют получать навигационную информацию в объеме, превышающем минимальное ее количество, необходимое для решения главной задачи навигации Это дает возможность использовать избыточную навигационную информацию для повышения точности определения навигационных параметров и исключения случаев использования недостоверной (ложной) информации.

Различают три уровня комплексного применения навигационных средств.

Первый уровень (комплексирова- нне навигационных средств) характеризуется конструктивным объединением двх и более датчиков навигационной информации, измеряющих один и тот же навигационный пара метр Объединенная система датчиков формирует значение навигационного параметра, обладающее более высокой точностью или устойчивостью к воздействию внешних факторов и отказов элементов системы. Примере 1 комплексировання навигационные средств могут служить гиромагнитные компасы, объединяющие магнитный и гироскопический датчики.

На втором уровне (комплексной обработки навигационной информации) информация, поступающая от нескольких датчиков, обрабатывается навигационным вычислителем по специальным алгоритмам для получения точных и надежных оценок навигационных элементов движения и координат ВС. Качество комплексной обработки информации зависит от реализуемых навигационным вычислителем математических методов обработки (алгоритмов). Примером комплексной обработки информации является алгоритм автоматизированной коррекции счисленных координат по данным РСБН, реализованный на самолете Ту-154, алгоритмы контроля курсовой информации на самолете Ил-86 и тр.

Третий уровень комплексного применения навигационных средств реализуется экипажем ВС (навигатором). При любой степени совершенства навигационного оборудования окончательное решение при определении положения и характеристик движения ВС принимает экипаж. Он осуществляет выбор режимов самолетовождения, определяет последовательность и способы использования различных навигационных средств оценивает достоверность и точность получаемой навигационной информации в зависимости от аэронавигационной обстановки на основе опыта своей работы.

Комплексное применение навигационных средств позволяет решить две основные задачи: исключить использование недостоверной навигационной информации и повысить точность определения навигационных элементов.

Недостоверность навигационной информации может иметь место при постепенных (неконтролируемых) отказах навигационных средств или при неправильном их применении экипажем. Если при явном отказе навигационного средства (срабатывании сигнализации отказа или прекращении поступления информации) экипаж имеет возможность своевременно перейти на использование дублирующего средства, то При постепенном (неявном) отказе недостоверность поступающей информации может быть выявлена только с помощью других навигационных средств. Например, отказ курсового гироскопа, повлекший недопустимо большой его уход в азимуте, может быть выявлен путем сравнения гироскопического и магнитного курсов. Ошибки, допущенные навигатором При работе с системами, также могут быть выявлены при контроле по другим средствам

Повышение точности определения навигационных параиетров с помощью нескольких датчиков однородной информации достигается применением таких математических методов обработки измерений, при которых независимые погрешности отдельных датчиков взаимно компенсируются.

Способы комплексной обработки навигационной информации

Математические методы обработки навигационной информации основываются на использовании результатов теории вероятностей, математической статистики и теории статистического оценивания. Алгоритмы обработки информации, основанные на одних и тех же математических методах, могут быть реализованы с помощью различных технических средств — аналоговых вычислителей, бортовых цифровых вычислительных машин, а некоторые выполнены непосредственно человеком (навигатором). Цифровые ЭВМ в состоянии реализовать практически любые алгоритмы обработки, если они не требуют чрезмерно большого объема памяти и быстродействия. Навигационные вычислители аналогового типа обладают существенно более низкой точностью и быстродействием, в них затруднена реализация логических операций и организация памяти. Непосредственно человеку (навигатору) под силу осуществить в приемлемое время только простейшие вычислительные операции, ио зато он сравнительно легко проверяет логические условия.

Сущность комплексной обработки информации в упрощенном виде. Пусть имеется л датчиков навигационной информации (однотипных или работающих на различных принципах), измеряющих один и тот же навигационный параметр у. Каждый датчик обладает своей погрешностью измерения At/i, вследствие чего измеренные значения = 1. и отличаются от фактических:

Задача комплексной обработки информации — получение такой оценки у измеряемого параметра, которое было бы наиболее близко в некотором смысле к фактическому значению параметра у. Совокупность операций, которые необходимо проделать над известными значениями yt для получения у, называется алгоритмом оценивания:

Для того чтобы однозначно определить алгоритм q. необходимо задать класс допустимых алгоритмов, сделать допущение о характере погрешностей (закон распределения, значения СКП) и выбрать меру близости оценки у к фактическому значению у (критерий оценивания). Обычно предполагают, что Д являются случайными с математическим ожиданием, равным нулю, поскольку при известных систематических погрешностях они могут быть устранены или учтены. Также иногда допускают, что у, имеют нормальный закон распределения.

Вследствие случайного характера i, оценка у также является случайной. Поэтому в качестве критерия точности оценивания принимают математическое ожидание какой-либо функции от погрешности оценивания

Наиболее часто выбирают в качестве критериев оценивания математическое ожидание квадрата или модуля у. Иногда в качестве критерии используется вероятность того, что погрешность А у не превзойдет некоторого допустимого значения.

Резервирование — простейший способ комплексной обработки информации. При этом оценкой у служит измерение i/i, полученное с помощью основного датчика навигационной информации (более точного). При его отказе используется резервный да г чик. При таком способе точность у не выше точности основного датчика, но повышается надежность системы. Резервирование датчиков эффективно при достаточной глубине их контроля, когда любой отказ сразу автоматически обнаруживается.

Для выявления неявных отказов используется сравнение значений параметров, измеренных различными датчикамм. При этом двух датчиков дли выявления отказавшего средства недостаточно, поскольку При расхождении измеренных ими значений навигационного параметра остается неизвестным, какой из них отказал. При использовании такого способа применяют как минимум три датчика. Надежность выявления отказа зависит от выбранного значения допуска на расхождение измерений.

Распространенный способ комплексного использования информации — коррекция навигационных систем. Она используется в тех случаях, когда основной датчик навигационной информации обладает свойством накапливания погрешностей (системы счислении пути, гироскопические курсовые приборы), а дублирующий датчик аналогичной навигационной информации не может использоваться непрерывно. В этом случае показания основного датчика периодически устанавливаются по показаниям резервного (средства коррекции).

Осреднение измерений — один из эффективных способов комплексной обработки информации. При этом оценка

Если все датчики обладают одинаковой_точностью, то точность оценки раз выше точности каждого из них. Полученная таким образом оценка у является оптимальной по критерию СКП при нормальном распределении однако в случае неявного отказа одного из средств (когда измеренное им значение параметра далеко от фактического) точность оценки V значительно ухудшается, причем тем больше, чем меньше число 1ЭТЧИКОВ. В связи с этим перед осреднением применяют допусковый контроль. В случае трех однотипных датчиков вначале определяют расхождение измерений

и путем сравнения их с заранее установленным допустимым значением определяют отказавшее средство. Если все Л12, Л23. 13 меньше Л. то у получают осреднением всех трех у,. В противном случае измерение отказавшего датчика отбрасывается и осредняются только два измерения. На такой мажоритарной логике основан алгоритм контроля курсовой информации в навигационном комплексе самолета Ил-86.

Если датчики обладают разной точностью, характеризуемой средними квадратическими погрешностями измерений а то осреднение осуществляется с учетом этих погрешностей:

Алгоритм оптимальной динамической фильтрации навигационных Р. Калмана позволяет получать оптимальные по критерию минимума СКП оценки сразу нескольких величин, характеризующих состояние ВС (например, координат, скоростей. Он имеет характер и позволяет учитывать не только значения измерении в текущий момент времени, но и изменение измеряемых величин и состоянии ВС в последовательные моменты времени. Одновременно с оценками формируется корреляционная матрица ошибок оценивания Данный алгоритм, называемый также фильтром Калмана, требует большого объема вычислений на каждом шаге оценивания и поэтому может быть реализован только на основе использования высокопроизводительных бортовых ЭВМ

Недостатком многих алгоритмов комплексной обработки информации является их чувствительность к виду закона распределения погрешностей навигационных измерений. Методы оценивания, дающие оптимальные оценки при условии нормального закона распределения погрешностей, могут быть далеки от оптимальных при нарушении этого условия

Устойчивые методы оценивания позволяют получать надежные результаты при достаточно широком диапазоне изменения характера погрешностей измерений. К классу устойчивых относятся многие методы, основанные на мажоритарном преобразовании навигационных измерений. При их использовании множество у, располагают в виде вариационного ряда, т. е. в порядке возрастания их значений так, что первый член вариационного ряда является минимальным а последний — максимальным из измерений. Алгоритм оценивания обычно является некоторой функцией от значений членов вариационного ряда с определенными номерами. Например, у может приниматься равной центральному члену вариационного ряда, полусумме минимального и максимального значений у, и т д.

Алгоритм выбора медианы — простейший из этого класса Медианой называется центральный член вариационного ряда (при нечетном числе его членов) или полусумма двух центральных членов (при четном числе членов). Однако, когда погрешности одного из датчиков значительно превосходят погрешности других (например, при невыявленном отказе), выбор медианы более предпочтителен. Так, при трех датчиках отказ очного из них совершенно не влияет на значение медианы, в то время как значение среднего арифметического может существенно измениться. Мажоритарные методы, уступая по точности методам оптимальной фильтрации (при нормальной работе всех датчиков), позволяют получить простые и достаточно надежные оценки.

Воздушная навигация: справочник/А.М. Белкин. М.: Транспорт. 1988г.