авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |

Прикладные методы обработки информации и моделирования при проектировании информационно-управляющих комплексов высокоманевренных летательных аппаратов

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Бабиченко Андрей Викторович

ПРИКЛАДНЫЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ И МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИХ КОМПЛЕКСОВ ВЫСОКОМАНЕВРЕННЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

Специальность 05.11.03 – Приборы навигации

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Москва – 2009

Работа выполнена в Московском государственном техническом университете им. Н.Э. Баумана на кафедре «Приборы и системы ориентации, стабилизации и навигации»

Официальные оппоненты:

1. Доктор технических наук, профессор

Рахтеенко Евгений Романович

2. Доктор физико-математических наук, профессор

Жбанов Юрий Константинович

3. Доктор технических наук

Лунин Борис Сергеевич

Ведущая организация: ОАО «ОКБ Сухого», г. Москва

Защита состоится « 16 » декабря 2009 г. в 10:00 часов на заседании диссертационного совета Д212.141.19 в Московском государственном техническом университете им. Н.Э. Баумана по адресу: 105005, г. Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5.

Ваш отзыв на автореферат в одном экземпляре, заверенный печатью организации, просим присылать по адресу: 105005, г. Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5, МГТУ им. Н.Э. Баумана, ученому секретарю диссертационного совета Д212.141.19.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Автореферат разослан «____»___________2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

д. т. н. Е.В. Бурый

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Перспективы развития фронтовой авиации связываются с многофункциональными высокоманевренными летательными аппаратами (ВМЛА), оснащенными бортовыми информационно-управляющими комплексами (ИУК), позволяющими совершать полеты в различных условиях, получать и обрабатывать информацию о внешней обстановке и состоянии бортовых систем, осуществлять воздействие по воздушным и наземным целям с помощью бортовых средств поражения. Требования к ИУК летательных аппаратов, создаваемых опытно-конструкторскими бюро Сухого, Микояна, Миля, Камова, постоянно возрастают и, соответственно, усложняются как сами бортовые комплексы и системы, так и их разработка, осуществляемая коллективами Раменского приборостроительного конструкторского бюро (РПКБ), Государственного научно-исследовательского института авиационных систем (ГосНИИ АС), Научно-исследовательского института авиационного оборудования (НИИ АО), Государственного научно-исследовательского института приборостроения (ГосНИИП), Московского института электромеханики и автоматики (МИЭА), Летно-исследовательского института им. М.М. Громова (ЛИИ), Российского института радионавигации и времени (РИРВ), Всероссийского научно-исследовательского института радиоаппаратуры (ВНИИРА), другими организациями отрасли. Значительный вклад в развитие методов и алгоритмов комплексной обработки и моделирования ИУК внесен учеными МГТУ им. Н.Э. Баумана, ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, МАИ им. С. Орджоникидзе, МГУ им. М.В. Ломоносова, ИПМ РАН, научно-исследовательских центров Министерства обороны Российской Федерации.



Математическое моделирование на этапах разработки, испытаний и технического сопровождения бортовых комплексов, в известной степени заменяя работу с реальными дорогостоящими компонентами ИУК работой с их моделями, позволяет существенно снизить трудоемкость и стоимость работ по созданию ИУК. Достигнутый уровень развития вычислительной техники позволяет успешно ставить и решать задачи моделирования практически любых информационных связей и физических процессов бортовых комплексов и систем.

С другой стороны, повышение требований к информационному обеспечению ИУК ВМЛА ведет к необходимости разработки все более сложных алгоритмов обработки в реальном масштабе времени многообразной информации измерительных устройств комплекса, при этом требуется использовать все более тонкие и сложные математические модели самих бортовых систем, летательного аппарата и взаимодействующих с ним объектов. Это – другое направление математического моделирования ИУК ВМЛА, успех которого также в значительной мере обусловлен достигнутым уровнем развития бортовых вычислительно-коммуникационных средств.

Можно констатировать, что усложнение задач бортовых комплексов, увеличение числа взаимодействующих объектов, качественный рост возможностей вычислительно-коммуникационных средств предопределяют существенное повышение роли обработки информации и моделирования при разработке и эксплуатации ИУК ВМЛА. При этом прикладные методы обработки информации и моделирования ИУК ВМЛА развиваются по двум направлениям:

  • моделирование работы ИУК ВМЛА как элемент технологического процесса разработки и исследований бортовых алгоритмов и систем,
  • моделирование состояния и поведения ВМЛА и его бортового оборудования в информационном пространстве в реальном масштабе времени как основное содержание комплексной обработки информации ИУК при его штатной эксплуатации.

Основным объектом исследования в диссертации является ИУК ВМЛА и его связи с информационным пространством, при этом в качестве предмета исследований выступает математическая модель комплекса и методы обработки информации ИУК.

Целью диссертации является разработка методов моделирования и комплексной обработки информации, обеспечивающих выполнение функциональных задач ВМЛА во всех условиях применения и повышающих эффективность проектирования и испытания бортовых комплексов.

Теоретическая основа и методы решения задач. Теоретическую основу диссертационной работы составили:

  • классическая механика и инерциальная навигация;
  • теория линий, поверхностей и фигуры Земли;
  • информационно-статистическая теория обработки измерений;
  • оптимальная и адаптивная фильтрация данных;
  • аппроксимация экспериментальных данных гладкими линиями;
  • обработка измерений обзорно-прицельных и радионавигационных бортовых средств;
  • объектно-ориентированное и структурное программирование.

Многие научные положения диссертации опираются на фундаментальные труды А.Ю. Ишлинского, П.В. Бромберга, В.Д. Андреева, Р. Калмана и других известных отечественных и зарубежных ученых. Основными методами решения задач диссертационной работы явились:

  • математическое имитационное моделирование комплекса;
  • полунатурное моделирование комплекса;
  • летные испытания ИУК ВМЛА и послеполетный анализ результатов.

Научная новизна работы состоит в следующем:

  • разработаны методы и алгоритмы многоуровневой адаптивно-робастной комплексной обработки информации ИУК ВМЛА, обеспечивающей выполнение функциональных задач ВМЛА во всех условиях применения;
  • разработаны методы построения математической модели информационного пространства на базе семейства уровневых поверхностей и системы координатных трехгранников, обеспечивающей информационное единство и целостность ИУК ВМЛА;
  • разработаны методы отображения уровневых поверхностей на сферу и высокоточные бортовые алгоритмы решения позиционных задач на уровневых поверхностях;
  • разработаны и исследованы математические модели, методы и алгоритмы обработки информации базовых инерциальных навигационных систем;
  • разработаны и исследованы методы моделирования ИУК ВМЛА при проектировании и исследованиях ИУК, обеспечивающие высокое качество результатов и их соответствие экспериментальным данным;
  • разработаны методы и алгоритмы формирования эталонной траекторной информации, обеспечивающей методическую основу моделирования ИУК ВМЛА;
  • разработаны метод и алгоритмы послеполетного контроля качества работы ИУК на основе субоптимальной обработки записанной в полете информации;
  • разработаны методы компенсации динамических дрейфов платформенных инерциальных систем путем автоматической калибровки на борту с помощью субоптимальной фильтрации текущих измерений.

Практическая значимость, реализация и внедрение результатов работы. Основным результатом диссертационной работы является создание методов обработки информации и математического моделирования ИУК ВМЛА при разработке и испытаниях новой авиационной техники. Выносимые на защиту теоретические положения диссертации, проработанные в рамках выполнения научно-исследовательских работ (НИР), соответствуют экспериментальным данным, полученным в ходе многочисленных полунатурных и летных испытаний бортовых комплексов летательных аппаратов «Су», «МиГ», «Ка». Выполненные разработки легли в основу проектирования ИУК новых поколений и модернизации существующих бортовых комплексов:

  • разработанные методы обработки информации ИУК ВМЛА, обеспечивающие формирование параметров состояния с требуемой точностью во всех условиях применения, доведены до практических алгоритмов и бортовых программ, зарегистрированных в Государственном Реестре программ для ЭВМ;
  • разработанные прикладные методы моделирования составили основу системы имитационного моделирования ИУК ВМЛА новых поколений, обеспечивающую высокую эффективность создания и испытаний бортового программно-математического обеспечения (ПМО) летательных аппаратов новых поколений.

Предложенные методы обработки информации и моделирования ИУК:

  • использованы при разработке авансового, эскизного и технического проектов перспективного авиационного комплекса фронтовой авиации (ПАК ФА) 5-го поколения;
  • используются при разработке рабочей конструкторской документации ПАК ФА, а также при проектировании и испытаниях бортовых комплексов и систем ВМЛА поколений 4 и 4+;
  • защищены патентами Российской Федерации, внедренными в состав бортовых комплексов самолетов и вертолетов, прошедших государственные испытания и выпускаемых крупными сериями (различные модификации самолетов Су-27, Су-30МК, МиГ-29; вертолеты Ка-31);
  • использованы при выполнении научно-исследовательских работ, заказанных Министерством обороны Российской Федерации;
  • используются при чтении курсов лекций «Математическое моделирование ИУК» и «Информационно-статистическая теория обработки измерений» в МГТУ им. Н.Э. Баумана и МАИ им. С. Орджоникидзе, а также при курсовом и дипломном проектировании студентов этих университетов.

Внедрение результатов работы подтверждается более чем 30 актами.

На защиту выносятся следующие основные положения:

  • методы и алгоритмы многоуровневой адаптивно-робастной комплексной обработки информации ИУК ВМЛА;
  • методы адаптации алгоритмов и моделей ИУК: априорной – на основе ковариационного анализа и минимаксного критерия качества, текущей – на основе согласования расчетной и фактической ковариаций и сетевой фильтрации данных, долгосрочной – на основе использования энергонезависимой памяти комплекса;
  • методы построения математической модели информационного пространства;
  • методы и алгоритмы решения позиционных задач на уровневых поверхностях;
  • математические модели, методы и алгоритмы обработки информации базовых инерциальных навигационных систем;
  • методы моделирования ИУК ВМЛА при проектировании и исследованиях ИУК;
  • методы и алгоритмы формирования эталонной траекторной информации;
  • метод и алгоритмы послеполетного контроля качества работы ИУК на основе субоптимальной обработки записанной в полете информации;
  • методы и бортовые алгоритмы автоматической калибровки и компенсации динамических дрейфов платформенных ИНС.

Личный вклад автора. Разработка и внедрение новой авиационной техники – это коллективный творческий труд, тем не менее, разработка методов, моделей и алгоритмов, выносимых на защиту, осуществлена непосредственно автором или при его решающем вкладе в исследования, проведенные в соавторстве с А.П. Рогалевым, Г.И. Джанджгавой, А.В. Чернодаровым, М.И. Ореховым, В.В. Негриковым, В.К. Шкредом, С.Я. Сухоруковым, В.И. Манохиным.





Апробация диссертации. Основные положения и результаты диссертации докладывались на Московском авиакосмическом салоне МАКС-2001 (Жуковский, 2001), юбилейной научно-технической конференции «Авиационные системы в XXI веке» (Москва, 2006), XVII международном научно-техническом семинаре «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации» (Алушта, 2008), 6-й международной конференции «Авиация и космонавтика» (Москва, 2007), заседаниях Государственных комиссий Министерства обороны Российской Федерации по приему НИР (Раменское, 1995-2007 гг.), Научно-техническом Совете РПКБ (Раменское, 2008), 3-ей Всероссийской конференции «Фундаментальное и прикладное координатно-временное и навигационное обеспечение» (Санкт-Петербург, 2009).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 26 научных статей и материалов научно-технических конференций, в том числе в изданиях Перечня ВАК – 18, получено около 20 патентов Российской Федерации, выпущено более 24 научно-технических отчетов по различным этапам НИОКР по разработке новой авиационной техники.

Структура и объем диссертации. Работа изложена на 377 машинописных страницах, содержит 90 рисунков, 25 таблиц и состоит из: списка сокращений, введения, шести глав основной части, выводов, заключения и списка литературы, включающего 123 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1 «Методы и задачи обработки информации и моделирования информационно-управляющих комплексов высокома- невренных летательных аппаратов» состоит из трех разделов. Первый раздел – описание облика и основных тенденций развития главного объекта исследования – ИУК ВМЛА, посредством которого экипаж решает задачи целевого применения ВМЛА. Важнейшими атрибутами бортовых комплексов ЛА являются [19]:

  • аппаратно-измерительная база;
  • вычислительные ресурсы;
  • средства внешней и внутренней коммуникации;
  • средства отображения информации и управления;
  • программно-математическая и алгоритмическая база;
  • технологическая база разработки и эксплуатации комплекса,

соответственно степени развития которых различают несколько поколений бортового оборудования. ИУК современных и перспективных ВМЛА относятся к 4, 4+ и 5 поколениям. Основные перспективы развития ИУК связаны с дальнейшим углублением и расширением информационной интеграции комплекса с объектами тактической группы и элементами информационного пространства, а также с широким применением гибких технологий адаптации комплекса к внешним и внутренним условиям. Необходимым условием этого является устойчивый рост мощности наземных и бортовых вычислительных средств и средств обмена данными.

С другой стороны, качественный рост вычислительных средств делает возможным проведение полномасштабного математического моделирования разрабатываемых бортовых комплексов и их алгоритмического обеспечения, в результате которого может быть решена значительная часть задач разработки и испытаний ИУК. Это приводит к относительному уменьшению стоимости разработки и эксплуатации комплексов.

Во втором разделе рассмотрены вопросы моделирования в реальном времени при комплексной обработке информации ИУК ВМЛА при его штатной эксплуатации. Физические объекты, участвующие в решении задач целевого применения ВМЛА, рассматриваются как структурные элементы единой метасистемы, а информационные взаимодействия между ними – как соответствующие связи. При этом главная задача комплексной обработки информации (КОИ) ИУК ВМЛА формулируется как задача построения адекватной математической модели связей метасистемы (рис. 1), включающей [1]: околоземное навигационное пространство; заполняющие его информационные поля и объекты; ЛА, оснащенные ИУК. Центральное место в метасистеме занимает информационное пространство – околоземное навигационное пространство, заполненное информационными полями [1] естественного и искусственного происхождения, в которое погружены ЛА и взаимодействующие с ними объекты – цели, ориентиры и т.п. ВМЛА связан с информационным пространством посредством информационной оболочки, включающей различные бортовые измерительные устройства и системы.

Связи между информационными полями, навигационным пространством и ЛА образуют замкнутые цепочки звеньев, к измерению и вычислению которых сводится решение различных информационных задач. В идеальном случае использование разных информационных полей будет давать варианты одной и той же картины.

Однако неточности измерения связей и построения модели информационного поля приводят к неоднозначности решений «треугольников связей» и, соответственно, к неточности определения состояния ВМЛА и других объектов. Устранение или сведение к минимуму этой неточности представляет собой задачу КОИ, которая решается с помощью пятиуровневой системы алгоритмов [1].

На 1-м уровне формируется модель информационного пространства.

На 2-м уровне осуществляется автономная обработка информации измерительных каналов. Обобщенный алгоритм i обработки информации в i-м канале m-го ЛА (из состава группы) связывает вектор Nmi состояния канала с измерительной информацией Jmi канала и параметрами соответствующего информационного поля Kmi:

Nmi = i (Jmi, Kmi ).

 Схема информационной метасистемы -0

Рис. 1. Схема информационной метасистемы

На 3-м уровне формируются информационные невязки между векторами Nmi, Jmi, Kmi различных каналов, связанных между собой, кроме оператора i, еще и операторами i и i:

Jmi = i(Nmi, Kmi);

Kmi = i(Nmi, Jmi).

В качестве опорной выступает информация того канала, который в текущий момент является наиболее точным и надежным. Выбор осуществляется на основе анализа накапливаемой текущей информации каналов и информации из бортовой базы данных, в том числе с помощью бортовой системы интеллектуальной поддержки.

На 4-м уровне осуществляется обработка невязок с помощью алгоритмов фильтрации разной степени сложности – от сглаживающих фильтров до вычислительно-устойчивых модификаций адаптивно-робастных фильтров Калмана.

На 5-м уровне формируются корректирующие поправки для моделей информационных полей и каналов, а также синтезируются точные параметры состояния ЛА и взаимодействующих с ним объектов. При этом широко используются данные межбортового обмена и межбортовых измерений взаимных координат (Nn/m – для m-го ЛА относительно n-го) в составе тактической единицы (группы). Использование этой информации позволяет решать следующие задачи:



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.