Сравнительный тест инерциальной навигационной системы FOG

1. Введение в инерциальную навигационную систему

Инерциальная навигационная система (ИНС), известная также как инерциальная система отсчета, - это автономная навигационная система, не зависящая от внешней информации и не излучающая энергию вовне (как, например, радионавигация). Ее рабочая среда включает не только воздушную, наземную, но и подводную. Основной принцип работы инерциальной навигации основан на законах механики Ньютона. Измерив ускорение носителя в инерциальной системе отсчета, проинтегрировав его по времени и преобразовав в навигационную систему координат, можно получить в навигационной системе координат. Такая информация, как скорость, угол рысканья и положение.

Инерциальная навигационная система относится к режиму инференциальной навигации, то есть положение следующей точки вычисляется по положению известной точки в соответствии с непрерывно измеряемыми курсовым углом и скоростью движущегося тела, таким образом, текущее положение движущегося тела может быть непрерывно измерено.Гироскоп в инерциальной навигационной системе используется для формирования навигационной системы координат, так что ось измерения акселерометра стабилизируется в системе координат, и задаются углы курса и ориентации; акселерометр используется для измерения ускорения движущегося тела, через время в одной точке получается скорость, затем скорость интегрируется по времени для получения смещения.

2. Важность

Инерциальная технология является одной из ключевых технологий для навигации носителя. Инерциальная технология - это технология, использующая принцип инерции или другие связанные с ним принципы для автономного измерения и управления процессом движения носителя. Это инерциальная навигация, инерциальное наведение, инерциальные измерения и технология инерциальных датчиков. Общее понятие. При поддержке мощных фондов правительств различных стран современные инерциальные технологии из первоначального военного применения проникли в гражданский сектор. Инерциальные технологии играют очень важную роль в технологиях оборонной техники. Для ракет средней и большой дальности с инерциальным наведением точность попадания, как правило, на 70% определяется точностью системы наведения. Для ракетных атомных подводных лодок их положение и скорость являются переменными из-за большой продолжительности подводного хода. Эти данные являются исходными параметрами пуска ракеты, которые непосредственно влияют на точность попадания ракеты. Поэтому необходимо обеспечить высокоточные сигналы положения, скорости и вертикальной наводки. В настоящее время единственным навигационным устройством для подводных лодок является инерциальная навигационная система. Инерциальная навигация полностью опирается на собственное оборудование носителя, позволяя ему ориентироваться самостоятельно и автономно, не полагаясь на внешнюю информацию, и обладает такими преимуществами, как хорошая скрытность, работа без метеоусловий и помех со стороны человека, высокая точность. Для крылатых ракет большой дальности инерциальные системы наведения в сочетании с технологией совмещения карт или другими методами наведения обеспечивают высокую точность поражения целей после пролета тысяч километров. Инерциальные технологии постепенно распространяются на аэрокосмическую, авиационную, морскую промышленность, разработку нефтяных месторождений, геодезию, морскую съемку, управление геологическим бурением, робототехнику и железнодорожный транспорт. С появлением новых инерциальных датчиков инерциальные технологии находят применение в автомобильной промышленности, медицинской электронике. Таким образом, инерциальные технологии не только занимают очень важное место в модернизации национальной обороны, но и показывают свою большую роль в различных областях народного хозяйства.

3. Обзор продукта

3.1. Введение

Инерциальная навигационная система GSY-FGI1100 использует трехосный волоконно-оптический гироскоп, чувствительный к вектору углового движения, пропорцию цифрового сигнала на выходе с носителем угловой скорости движения; три ортогональные коллокации кварцевого изгиба акселерометра, чувствительного к линейному ускорению, на выходе с пропорцией токового сигнала и тока после I-F преобразования схемы переключения частоты сигнала на входе навигационного компьютера. Компьютер навигации гироскопа, акселерометра, внешних данных GPS-приемника, системы компенсации ошибок расчета, навигационного решения и в соответствии с положениями цикла руководство через порт мониторинга для внешней отправки в реальном времени скорость, положение, отношение и навигационной информации.

3.2. Некоторая техническая информация

Рисунок 1. Часть технических параметров

4. Сравнительный тест между продукцией компании и другими продуктами того же типа

4.1 Экспериментальные условия

Два эксперимента по грубой центровке проводились в одинаковых условиях. Один из них - эксперимент по выравниванию на поворотном основании на базе трехосного поворотного стола, а второй - эксперимент по выравниванию на подвижном основании на базе автомобиля. Характеристики инерциальных измерительных приборов (ИИП), использованных в экспериментах, следующие: постоянная стабильности дрейфа каждого гироскопа менее 0,01(◦)/h(1σ), коэффициент случайного шага менее 0,01(◦)/h(1σ), смещение каждого кварцевого гибкого акселерометра менее 5 × 10-5g. Начальное положение эксперимента - 32,05◦ (N) и 118,0◦ (E).

Экспериментальная среда на поворотном основании показана на рис. 2, а соответствующая структурная схема - на рис. 3. В основном она состоит из волоконно-оптической инерциальной гироскопической системы, навигационного компьютера (в нем выполняется алгоритм выравнивания), компьютера для хранения данных, GPS-приемника и трехосного поворотного стола. Навигационный компьютер объединяет выходы IMU и GPS-приемника и передает результат по сети на компьютер-накопитель. Компьютер-накопитель сравнивает результат грубого выравнивания, полученный от навигационного компьютера, со значениями положения поворотного стола и рассчитывает точность выравнивания.

Структурная схема эксперимента по выравниванию на базе автомобиля приведена на рис. 4. Для оценки точности в качестве эталона был выбран высокоточный волоконно-оптический гироскоп SINS (PHINS), выпускаемый французской компанией iXBlue. PHINS и GSY-FGI1100 установлены на жесткой плате с параллельными курсовыми углами, как показано на рис. 5.Экспериментальная среда показана на рис. 6. PHINS работает в режиме интегрированной навигации с помощью GPS и передает результат на компьютер-накопитель, который рассматривается как реальный эталон центровки. DVL передает скорость на навигационный компьютер, чтобы помочь GSY-FGI1100 завершить начальную юстировку. Компьютер-накопитель сохраняет результаты юстировки GSY-FGI1100 и PHINS и оценивает точность юстировки по предложенному алгоритму. Проект используется в подводной среде. Поскольку условия проведения эксперимента ограничены, вместо него мы используем эксперимент на автомобиле. Опорная скорость обеспечивается системой PHINS с постоянной погрешностью 0,2 м/с и случайной погрешностью 0,005 м/с.

4.2 Эксперимент по юстировке на поворотном основании на базе поворотного стола

На трехосный поворотный стол устанавливается GSY-FGI1100, режим качания которого задается следующим образом: (1) центр тангажа - 2◦ , амплитуда качания - 8◦ , частота качания - 0,15 Гц; (2) центр крена - -2◦ , амплитуда качания - 10◦ , частота качания - 0. 2 Гц; (3) центр качания курса устанавливается под разными углами, а именно 0◦, 45◦, 90◦, 135◦, 180◦, 225◦, 270◦ и 315◦, амплитуда качания составляет 6◦, частота качания - 0,125 Гц.

Рисунок 7. Кривые погрешностей ориентации при грубой юстировке (центр качания курса равен 45◦). (а) Кривые ошибок угла тангажа; (б) кривые ошибок угла крена; (в) кривые ошибок курсового угла.

Средние значения и стандартные отклонения ошибок центровки по курсу составляют соответственно 0,1431◦ и 0,1232◦ и 0,1302◦ и 0,0315◦.

4.3 Эксперимент по выравниванию подвижной базы на базе автомобиля

Проведен эксперимент по выравниванию на базе транспортного средства. Маршрут движения автомобиля показан на рис. 8. В данном эксперименте основное внимание уделяется влиянию внешней скорости на результаты центровки.

4.4 Влияние частоты фильтрации внешней скорости на выравнивание

В данном эксперименте DVL подает внешнюю скорость, а ее частота задается в различных значениях,

например, 200 Гц, 50 Гц и 1 Гц. Ошибка ориентации улучшенного алгоритма кватернионного фильтра

показана на рисунке

Рисунок 9. Кривые ошибки юстировки при различной выходной частоте скорости. (а) кривые ошибки угла тангажа; (б) кривые ошибки угла крена; (в) кривые ошибки угла курса.

На рис. 9 видно, что при частоте 1 Гц курсовой угол сходится медленно и явно колеблется. С увеличением выходной частоты скорость сходимости увеличивается, а результат выравнивания становится лучше. В течение 300 с ошибки курсового угла на частотах 1 Гц, 50 Гц и 200 Гц составляют соответственно -1,788◦, -1,389◦ и -1,384◦. В условиях низкой частоты, например 1 Гц, ошибка курсового угла накапливается в основном в процессе разгона и торможения автомобиля, поскольку оценка разности скоростей в каждом периоде расчета SINS неточна.Метод компенсации показан на рис. 10, где разность скоростей в периоде вывода скорости равномерно распределяется по каждому циклу расчета страпдауна. Ts - частота расчета SINS, T - период вывода скорости, a - разность скоростей в периоде расчета SINS, V(Ti) - значение скорости в момент Ti.

Рисунок 10. Режим компенсации разности скоростей

4.5 Влияние постоянной ошибки внешней скорости

Постоянная ошибка внешней скорости задается в различных значениях: 2 м/с, 1 м/с и 0,1 м/с.

Кривые ошибок центровки при различных постоянных ошибках. (a) Кривые погрешности угла тангажа;

(b) кривые погрешности угла крена; (c) кривые погрешности курсового угла.

На рис. 11 видно, что в условиях различной постоянной ошибки скорости ошибка горизонтальной ориентации быстро сходится, а ошибка курсового угла увеличивается с ростом постоянной ошибки. При постоянных ошибках 0,1 м/с и 1 м/с ошибки курсового угла сходятся, при этом ошибки курсового угла составляют -1,787° и -1,807°. Для сравнения, при постоянной ошибке 2 м/с ошибка курсового угла составляет -2,099°. Постоянная погрешность внешней опорной скорости влияет на точность центровки в соответствии с выражением ускорения b b ωib × v , но ее влияние ограничено.

4.6 Влияние случайной погрешности внешней скорости

Для анализа влияния случайной погрешности скорости на точность центровки постоянная погрешность принимается равной нулю. Выбраны три различных значения случайной погрешности белого шума: 0,05, 0,1 и 0,2.

Рисунок 12. Кривые погрешности центровки при различных значениях случайной погрешности.

(a) Кривые погрешности угла тангажа;

(b) кривые погрешности угла крена;

(c) кривые погрешности курсового угла.

На рис. 12 видно, что с увеличением случайной ошибки скорости результат выравнивания сходится медленнее. В момент выравнивания через 300 с ошибки курсового угла, соответствующие случайной ошибке, составляют от наименьшей до наибольшей -2,292◦, -3,284◦ и -5,722◦. По сравнению с влиянием постоянной ошибки скорости влияние случайной ошибки больше. Это связано с тем, что случайная погрешность скорости влияет на точность центровки как дифференциальной скоростью .Vb, так и ωbibb x Vb. Поэтому, как видно из рис. 10 и уравнения (5), в течение всего процесса центровки в периоде обновления внешней опорной скорости накапливается случайная погрешность.

Три описанных выше эксперимента показывают, что при низкой выходной частоте внешней скорости, например 1 Гц, ошибка центровки увеличивается, причем внешняя скорость становится больше. Кроме того, влияние случайной ошибки внешней скорости на результат центровки более очевидно, чем влияние постоянной ошибки.

(a) Кривые погрешности угла тангажа;

(b) кривые погрешности угла крена;

(c) кривые погрешности угла крена

Сообщение Просмотров: 0

Поделиться статьей