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

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 ).

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: