WWW.DISUS.RU

БЕСПЛАТНАЯ НАУЧНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

 

Анализ и структурныйсинтез навигационного обеспечения управляемых транспортных средств

Направах рукописи

Марюхненко ВикторСергеевич

информационный анализ и Структурныйсинтез

НАВИГАЦИОНного обеспечения

управляемых транспортных средств

Специальность: 05.13.01 –Системный анализ, управление и обработка информации (промышленность)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

докторатехнических наук

Иркутск –2010

Диссертационная работавыполнена вГОУ ВПО«Иркутскийгосударственныйуниверситет путей сообщения»

Научныйконсультант:доктор технических наук, профессор

Мухопад Юрий Федорович

Официальные оппоненты:доктор технических наук,профессор

Аникин Андрей Леонидович

доктор технических наук,профессор

ГубаревВасилий Васильевич

доктортехнических наук, профессор

ФатеевЮрий Леонидович

Ведущаяорганизация:Сибирскийфедеральныйуниверситет,

г.Красноярск

Защитасостоится24 июня2010 г. в 10.00часов назаседании совета по защите кандидатских и докторскихдиссертаций Д218.004.01 при ГОУ ВПО«Иркутскийгосударственный университет путейсообщения» поадресу: 664074,г. Иркутск,ул.Чернышевского, 15, ауд. А–803.

Тел.:(8-3952)63-83-11, (8-3952)38-76-07.

WWW:http://www.irgups.ru

Сдиссертацией можно ознакомитьсяв библиотекеИркутскогоГосударственного университетапутей сообщения.

Автореферат разослан_____________2010 года

Отзывы наавтореферат вдвух экземплярах, заверенной с гербовойпечатью учреждения,просим направить в адрес диссертационногосовета.

Ученыйсекретарьдиссертационногосовета профессорИ.И.Тихий

Общаяхарактеристикаработы

Актуальность научной проблемыобусловлена все более широким развитиемкосмических,воздушных, морских, речных,железнодорожных и автомобильныхтранспортных систем, которыедолжны осуществлять перевозкиэффективно, то естьэкономично, регулярно и безопасно. Одиниз путейповышенияэффективности работы транспорта – совершенствованиенавигационного обеспечения управляемыхтранспортных средств (ПТС).

Поднавигационнымобеспечениемпонимаетсядинамическая система поформированию,передаче,приеме иобработкенавигационной информации для решения задач целенаправленнойдоставки грузов управляемыми ПТС. Навигационноеобеспечение вконтексте данной работы не включает организационныхвопросови материальногооснащения.В то же время является болеешироким понятием, чемопределение текущих координатобъекта навигации.

Особенность применениясредств навигации в современных условиях – широкий диапазонизменения расстояний в бытовых, хозяйственных,производственных,специальных инаучных целях, –от глобальныхдо ограниченных единицами метров, при постоянноповышающихсятребованиях кточности.

Вэтих условияхактуальнымиявляются решения задач,связанных санализомколичественнойсторонынавигационнойинформации. Одна из задач обусловлена тем, что вусловиях высокой плотности транспортныхпотоков существенно проявляетсяпространственнаяанизотропиянавигационныхизмерений. Учесть одновременно иточность определения координат, и геометрическийфактор позволяетинформационныйподход, прикотором производятся как измерениякоординат,так иопределение формы апостериорнойобласти неопределенности положениятранспортного средства.

Важноопределить также выигрыш от комплексированиясредств навигациипри созданиии применениикомплекснойнавигационнойсистемы. Отличие формы апостериорнойобластинеопределенности от сферы (или круга) не позволяет вполной мереиспользоватьпреимуществакомплексирования, так как не отвечает на вопрос об измененияхформы этойобласти. Между тем количественный показательэмерджентностинавигационной информации,позволяет получить непосредственноепредставление об эффективностикомплексирования.

Присинтезе комплексных навигационныхсистем важнаязадача – обеспечитьинвариантностьэффективностинавигационногообеспечения к отказам используемых систем и устройств, а также априори установитьраспределение информационных ресурсов, необходимыхдля реализации микропроцессорныхустройств. Это возможно на основепредварительногосистемного иинформационного анализа.

Такимобразом, существует народно-хозяйственная проблема повышения эффективностинавигационного обеспечения управляемых ПТС, решение которой позволит обеспечить повышениеэффективностипроцессов перевозок и применения на этой основесовременныхлогистических схем впроизводстве,торговом итуристическом бизнесе;совершенствоватьобороноспособностьстраны, повысить качествонаучных исследований, связанных с позиционированиемобъектовв пространстве или на поверхности.

Научнойпроблемой, вытекающей изнародно-хозяйственныхзадач, является синтез навигационногообеспечения как сложнойдинамической системы с показателем эффективности,инвариантнымк структурными информационным изменениямкомплексабортовыхсредств навигации.

Объектисследования –навигационноеобеспечение управляемыхПТС каксложная динамическаясистема.

Областьисследования – информационныйанализ иструктурный синтез навигационного обеспечения управляемыхПТС.

Цельисследований.Созданиеметодикиинформационногоанализа навигационного обеспеченияуправляемых ПТС и методологиисинтеза навигационного обеспечения, показательэффективностикоторого инвариантен к структурным иинформационнымизменениямкомплекснойнавигационнойсистемы.

Задачиисследований, которые вытекаютпоставленной цели:

1) выполнить системный иинформационный анализ навигационногообеспечения ПТС;



2)разработатькритерийэффективностинавигационногообеспечения по разомкнутоймодели применения управляемых ПТС;

3) произвести синтез и исследование новых алгоритмовповышения количестванавигационнойинформации;

4) разработать методологию синтеза навигационногообеспечения ПТС инвариантного к изменениям структуры и информативностикомплексной навигационной системы;

5) выполнить экспериментальныеисследования,необходимые для теоретическихобобщений, атакже подтверждающиетеоретическиевыкладки.

Методыисследованийоснованы наприменении: а)теории системного анализа для декомпозицииифункционально-морфологического анализа навигационного обеспечениякак сложнойдинамической системы длявсестороннегорассмотрения его свойств с целью повышенияэффективности; б) теории информации дляформирования выводов информационного анализа о количестве добываемойнавигационнойинформации впроцессе решения основной и вторичной задач навигации; в) теорииавтоматическогоуправления для оценкивлияниянавигационногообеспечения на поведениемногомернойдинамической системы «информационно-управляющая система – объект управления»при детерминированных и стохастическихвоздействиях; г) математическихметодов обработки сигналов(теории вероятностей,теориидифференциальных и интегральныхуравнений,преобразований Фурье и Лапласа); д) теории множеств для описанияобластей неопределенности позиционированияподвижных объектов; е) теории комплексныхчисел дляпредставленияхарактеристикдвумерныхмножеств,содержащих объекты сортогональнымисвойствами; ж) статистическойтеории радионавигации,при описанииинформативностирадионавигационныхсигналов; з) экспериментальныхисследований для полученияисходных данных для анализанавигационногообеспечения,а такжедля проверкитеоретическихвыводов.

Научнаяновизна. Вдиссертационнойработе предмет научнойновизны представляют исследованияновогообъекта –навигационногообеспечения информационно-управляющих системподвижных объектов транспортакак сложной динамической системы: а) новым методом – методом информационногоанализаадаптированного к исследованиюуказанного объекта; б) известнымиметодами,перечисленными выше.

Конкретно научную новизну составляют впервыеполученные:

1) результаты информационногоанализа:

а)навигационногообеспечения с учетомусловий применения объектанавигации;

б)информативностинавигационныхсигналов;

в)навигационных измерений в условиях априорнойнеопределенности;

г)позиционирования в спутниковойрадионавигационной системе;

2) представление показателейнадежности сложных информационно-управляющих систем в видекомплексных функцийвремени;

3) методикарасчета показателя эффективностинавигационногообеспечения с учетомоценки доступности навигационныхопределенийи решениявторичных навигационных задач;

4) алгоритмы повышенияколичестванавигационнойинформации;

5) методология синтезанавигационногообеспечения с показателемэффективности,инвариантного к структурными информационным изменениямкомплекснойнавигационной системы.

Научнаяи практическаязначимость работы состоит в том, что для навигационногообеспеченияуправляемых ПТС:

1) создана методика информационногоанализа;

2) создана методология синтеза;

3) предложено представлениепоказателейнадежности в виде комплексныхфункций времени;

3) повышена информативностьпутем:

а)восстановлениятраектории движения приодномерныхнавигационныхизмерениях;

б)выбораоптимальногосочетания конических сечений в качестве линийположения;

в)использования априорных сведений о «жесткой»траектории движения объекта с известнымматематическимописанием;

г)оценки доступности навигационныхопределений;

д)учета реальной скоростираспространения радионавигационныхсигналов в районепозиционирования;

е)использованияизбыточностирадионавигационныхсигналов соответственно системдальней иближней навигации.

Основные положениядиссертации,выносимые назащиту:

1.Математическиеметоды:

а)информационногоанализанавигационногообеспеченияподвижных объектов;

б)расчетапоказателяэффективностинавигационногообеспечения по разомкнутоймодели;

в)представления показателейнадежности сложных информационно-управляющих систем в видекомплексных функций времени.

2. Методология повышенияинформативностинавигационного обеспечения и методикасинтезанавигационного обеспечения споказателемэффективности,инвариантного к структурными информационным изменениямкомплексной навигационной системы.

3. Алгоритмы повышенияколичестванавигационнойинформации, добываемой в процессенавигационногообеспеченияподвижноготранспортногосредства.

Достоверность результатовподтверждается:

1)соответствиемприменяемого метода анализаобъекта положениям и выводам теорииинформации, теории множеств,теории вероятностей, теории комплексных чисел иматематическогоанализа;

2)математическикорректной методикой выводаформул иразработки алгоритмов с четким выделением ограниченийи допущений;

3)практическимирезультатами,полученными при проведенииэкспериментов.

Внедрение результатовработы. Разработанныеалгоритмы повышения информативностинавигационныхопределенийиспользованы:

  1. впрактической работе ОАО «ОКБ СУХОГО»;
  2. впрактической работе службойавтоматики ителемеханикиВосточно-Сибирскойжелезной дороге ОАО РЖД;
  3. в учебном процессе:

а)Иркутскогогосударственногоуниверситета путей сообщения (ИрГУПС) и филиалов ИрГУПС –Забайкальском и Красноярскоминститутахжелезнодорожноготранспорта по специальности«Автоматика и телемеханика»;

б)физико-техническогоинститута Иркутского государственноготехническогоуниверситета по специальности«Радиотехника»;

в)военногоавиационногоинженерногоуниверситета (г. Воронеж) по специальности«Эксплуатацияавиационногорадиоэлектронногооборудования».

Результатывнедренияподтверждаются актами.

Апробация работы. Основныерезультаты работы докладывалисьи обсуждались:

1. На трех международныхнаучно-практическихконференциях в г. Одесса: "Современныепроблемы ипути ихрешения в науке,транспорте,производстве и образовании"в 2005, 2006г. и«Научныеисследования и ихпрактическое применение. Современноесостояние ипути развития» г. Одесса, Украина, в 2007г.

2. На первом международномсимпозиуме«Инновации итехническое обеспечение модернизациижелезных дорог» г. Нанчанг, Китай, 2008 г.

3. На ХI международнойконференции«Информационные и математическиетехнологии внаучныхисследованиях»,Иркутск, 2006г.

4. На Хмеждународнойнаучно-практическойконференции«Системный анализ в проектированиии управлении», г.Санкт-Петербург, 2006 г.

5. На 3-м евразийскомсимпозиуме по проблемампрочности материалов и машин для регионов холодногоклимата «Eurastrencold-2006», г. Якутск, 2006 г.

6. Намеждународнойнаучно-техническойконференциипосвященной 50-летию УрГУПС,Екатеринбург, 2006 г.

7. На 11–йМеждународной научно-техническойконференции«Радиолокация,навигация, связь», Воронеж, 12-14апреля 2005 г.

8. На 7–йВсероссийской с Международнымучастиемнаучно-техническойконференции«Современныепроблемырадиоэлектроники»,посвященной 110-й годовщине Дня Радио, Красноярск, 5 - 6мая 2005г.

9. На V и VIII Межвузовскихнаучно–техническихконференциях молодых ученых и специалистов«Современные проблемырадиоэлектроники»,Иркутск, ИрГТУ в 2006 и 2009 г.

10. Назаседанияхобъединенного семинаракафедр «Управление техническимисистемами»,«Телекоммуникационныесистемы»,«Автоматика и телемеханика»ИрГУПС в2004–2005г. испециализированногомежвузовского семинарапо проблемампримененияGPS-технологий в народномхозяйстве в2006 – 2008 г. в присутствииведущих ученых научныхучреждений г. Иркутска, а такжеаспирантов иученых, область научныхинтересов которых –проблемы связи ипозиционированияжелезнодорожныхобъектов сиспользованиемспутниковыхтехнологий;

11.Назаседаниинаучно-технического советаИнститута инженерной физики ирадиоэлектроникиСибирского федерального университетаг.Красноярск.

Публикации. Основныерезультатыисследованийопубликованы в 42работах, в том числе: 2 – монографии(без соавторов); 9 –научные статьи в журналах, входящих в «ПереченьВАК …»,из нихбез соавторов – 7статей; 12 – статьи врегиональных научных журналах; 16 – публикации в сборниках научных трудови вматериалахнаучно-техническихконференций; 4 – патенты на полезныемодели.

Структура и объем работы. Диссертационнаяработа состоит из введения, шести глав, заключения, содержащих 317 машинописныхстраницы текста, в числе которых 113рисунков и 15таблиц, и восьмиприложений срезультатами практических исследований,алгоритмом ипрограммой расчетов эффективностии актамивнедрения.Библиографическийсписок включает 261 наименование.

СОДЕРЖАНИЕРАБОТЫ

Во введении дана общая характеристиканавигационного обеспечения транспортныхперевозок. Отмечены направления развитиянавигационной науки. Сделан краткийлингвистический и исторический экскурс.Показана связь навигации и управления.Сформулировано положение: навигационное обеспечениепредставляет собой комплекс научных иконструкторских разработок, производства иэксплуатации навигационной аппаратуры какчасти информационно-управляющих систем,обладающее свойствами больших систем.Показаны важность расширения функцийнавигационного обеспечения в современныхусловиях инаправления его дальнейшего развития.

Выполнен обзордоступных работ исследований, влияющих наразличные аспекты навигационногообеспечения, на основании чего, отмечена целесообразность и необходимость: а) информационного анализанавигационного обеспечения на основе теорииинформации (Р. Фишер, Р.Хартли, К. Шеннон, Н. Винер, А.Н.Колмогоров, А.А.Харкевич); б)применения статистической теории радионавигации(М.С.Ярлыков); использования теории автоматического управления с использованием датчиков,основанных на различных принципахполучения информации(А.А.Красовский). Решению задачобработкисигналов, в том числе и врадионавигации, посвящены работы Р.Л.Стратоновича, В.И. Тихонова, Я.Д. Ширмана, В. С.Шебшаевича, В.А. Болдина, В.Н. Харисова, Н.К.Кульмана, Г.Я. Шайдурова, Г.А. Пахолкова, А.И.Перова, Ю.А. Соловьева, А.Л. Аникина и др.Проблемамиприменения радиолокационныхнавигационных станций с синтезированием антенны(РСА) занимались Г. С. Кондратенков, А.П. Реутов, В.Т.Горяинов,Е.Ф. Толстов. Вопросыреализации цифровыхавтоматов, предназначенных для решениянавигационных задач, рассмотрены вработах Ю.Ф. Мухопада. Влияние ионосферы наработуспутниковых радионавигационных системизучалисьучеными подруководством Э.Л. Афраймовича. Влияние нестабильностискорости распространения радиоволн (над произвольной поверхностью)на точность дальномерных измеренийпоказано вработахЮ.Б.Башкуева.

Первая глава посвящена системному анализунавигационного обеспечения управляемых ПТС,которое представляет собой сложнуюдинамическую систему без строгогоформального описания. Элементы сложныхсистем объединены горизонтальным и иерархическимвзаимодействием. Для анализа и синтезатаких систем требуется системный подход сразделением их на горизонтальные уровнии иерархические подсистемы повертикали.

Введена классификация ПТС, удобная дляоценки с общих позиций влияния различных аспектов наточность формирования векторауправляющего воздействия. Системныйанализ позволяет: а) для ПТС с относительно грубымитребованиями к точности навигациипоказать перспективу и возможность расширенияперечнядополнительных задачнавигации; б)для ПТС с изначально высокимитребованиями к точности навигациирасширить круг «грубых» средств иметодовнавигации в качестве резервных.

Наоснове системного анализанавигационногообеспечения по направлениям,показанным на рис.1, сделаны выводы о том, что:

1) нетинформационногоанализанавигационногообеспечения; не разработанаобщепринятаяметодика расчета эффективностиприменения средств (радио)навигации, а такжетекущего контроля ипрогнозированиядоступности навигационных определений СРНС в условияхвоздействиявнезапных неблагоприятных геофизическихфакторов ис учетомвариацийгеометрического фактора;нерешена проблема инвариантностипоказателей качества навигационногообеспечения при аппаратныхлибо информационных отказах;

2) является актуальнымповышение качества навигационногообеспечения путем: учетареальных рабочих зонрадионавигационныхсистем; расчета показателейнадежности работы средствнавигации сучетом отказов, бинарноразделяющихся на непересекающиесямножества;определения качества алгоритмоврешения задач навигации;учета влияния нестабильностискорости распространения радиоволн;расширения перечня алгоритмоврешения задач навигации;более полного использованияв целяхнавигацииинформации от бортовой РЛС и избыточностисамихрадионавигационныхсигналов; учета способаорганизации движения ПТС.

Глава 2посвящена информационному анализунавигационного обеспечения ПТС.Исследованы: информация как категорияинформационного анализа, подходы к определению количества навигационной информации, информативностьнавигационных сигналов, информационные оценкинавигационных измерений при априорнойнеопределенности и позиционирования в СРНС.Показано, что применениетермина «навигационная информация» предполагаетбольшую общность, чем понятия «координаты»,«навигационные данные» или «результатыизмерений». На основе анализа различныхопределений информации каккатегории кибернетики содной стороны и особенностейнавигационного обеспечения ПТС – с другой. Авторомсформулировано, что поднавигационной информацией следует понимать совокупность сведений о движениицентра масс управляемого ПТС в известныхсистемах координат, добываемых посредствомнавигационных устройств, систем иликомплексов, которые (сведения) предназначены для запоминания, храненияи обработки, что связано с необходимостьюдальнейшего использования в алгоритмахфункционирования информационно-управляющихсистем сцелью формирования вектора управляющихвоздействий, прикладываемого куправляемому ПТС для решения задач перевозкигрузов.

 Направлениясистемного анализа -0 Рис.1. Направлениясистемного анализа навигационногообеспечения информационно-управляющихсистем (ИУС) ПТС

Навигационнаяинформация обладаетпространственно-временной локализацией сведений одвижении ПТС и формируется как рецепцией (приприеме и обработкесигналов), так и генерацией (при комплексированиинавигационных измерителей). Навигационная информация являетсякомбинированной и ценностной. Она – составляющаячасть технической транспортнойинформации, сформированной в виде ценнойискаженной объективной первичнойинформации, которая после обработкипринимает черты субъективной информации.

Разработкаинформационной стороны навигационногообеспечения ПТС является более общим, посравнению с измерениями и обработкой сигналов,уровнем обобщения информационных процессовуправления. Выводы информационного анализапредлагается использовать при разработкеобщих методологических основ формирования,распределения, обработки и использованияинформационных потоков в КНС и информационно-управляющих систем(ИУС) подвижных транспортных объектов.

Наосновевероятностного (по К. Шеннону –А.А.Харкевичу) и алгоритмического (по А.Н.Колмогорову – Р.Л. Стратоновичу)подходов копределениюколичестваинформации разработанаметодика синтеза алгоритмоввычисленияколичества (ценной) навигационнойинформации: а) при условии, что достоверно известна априорнаяобласть положения управляемогоПТС, формируетсяобъемнаянавигационнаяинформация.Количество объемнойнавигационной информациив моментti: , где ; –коэффициентывеса мераприорной и апостериорной , областейгде – априорно известнаяобласть положения объекта в пространствепри грубойоценке;

б)при условии,что цельперевозок достовернодостигаетсянесколькимиальтернативнымипутями (алгоритмами), количество маршрутнойинформации Iмрна плоскости: , гдеLи, Lж – истинная и желаемая траектории(маршруты); R(•) – функция потерь(затрат) надвижение объекта по траектории L(x1,x2):, где C(x1,x2)и W(x1,x2)–соответственнофункции штрафов иэффективностинавигационногообеспечения.

Введены понятия,характеризующие системные свойстванавигационной информации. Коэффициент эмерджетности (системности)=(Icист/Iнесист)=(Iнесист+Icист)/Iнесист =1+,где Iмн,и Icист – соответственноколичествонавигационной информации, полученноепростым множеством навигационных систем и КНС;Icист= (Icист – Iнесист) – приращениеинформации за счет эффекта системности; =Icист/Iнесист – коэффициентиспользования системности.

Подсистемной(>1; >0)понимается навигация, при которойнавигационнаяинформациягенерируется путем использованиясистемного эффекта, то есть влиянием на результатнавигации информации, совместнодобываемой различными устройстваминавигации.

Приисследовании информативностинавигационныхсигналов рассмотрены: а)формирование вектора наблюдениянавигационныхсигналовu[t, (t)] ={e[t, (t)],n(t)},где e[t, (t)] – вектор (размерностиN) э.д.с. наводимых в антенне в точке приема, элементыкоторого ej[t,j(t)]= E[1j(t),2j(t), ……, ij(t), …,qj(t),t], q – количество модулируемыхпараметровизлучаемых радиосигналов; (t)=[ki(t)]KхN–матрица элементарных навигационныхсообщений,сформированных на передающейстороне Nпередатчиками; K – максимальнаяразмерность векторов сообщений j(t); n(t)–вектор аддитивных шумов;б)информационныепотери приобработке навигационных сигналов.





Источником навигационныхсообщений ki(t)являются фазовые координатыдвижения ПТС. Формированиенавигационныхсообщений (t)представляется как ряд детерминированныхматричныхпреобразований (t)=[H(t)H](KxN),где (t)(1xK)–вектор навигационных параметровразмерности m; H=[h.ik](Kxm) и H=[(h)ik](mxN)–матрицы преобразований.

Информационныепотери зависят от этапа обработки сигналов. Первичная обработка – суть частотнаяпрямоугольнаяфильтрация. В результате вторичной обработки (оптимальной фильтрации) принятыхрадионавигационныхсигналов формируется матрица *(t)=u[t,(t)],элементыкоторой *ik(t) – оценки элементарныхнавигационныхсообщений ik(t)с функциямиплотности вероятностей , где и –соответственно м.о. и дисперсия оценкисообщения ,зависящие ототношения сигнал/шумна входеи алгоритмаоптимальнойобработки.Количествоинформации,потерянной врезультатеполучения оценки *ikпри обработке сообщения ik(информационные потери), где ; ;–наперед (директивно) заданноезначение вероятности; –условнаявероятность значения навигационногосообщения ikпри условииполучения оценки *ik.

Потериинформации при обработкевсего ансамбля сообщенийзаписываются матрицей , апотеряинформативности(суммарные потери)при егообработке: ,

гдекоэффициенты веса 0<(1/ik)1 при ik,и (1/ik)1 при i=k,учитывают системность приобработкенавигационных сообщений.

Рис.2. Зависимостьколичестваинформации от среднегозначения Vсри дисперсии v2 скорости движенияобъекта

Рис.3. Семействонормированныхинформационныххарактеристик дальномерныхизмерений относительно начала координат

Наэтапе третичной обработкиоценку вектора текущихкоординат X*(t)можно представить как результат последовательныхматричных преобразований; ;, где *(t) – матрица радионавигационных параметров; Xи*(t) – вектор координат в системе отсчета конкретногоизмерителя; ; ; ; – матрицы преобразований. -29; – матрицы преобразований.

Рис.4.Семейство нормированныхинформационныххарактеристик угломерныхизмерений относительно началакоординат при различныхисходных условиях

Четвертичная обработкастановитсянеобходимой, когда оценкакоординат получена внавигационномкомплексе несколькимивариантамииспользования и комплексированияизмерителей. В результатеобразуются r векторов =,где r – количество вариантовкомплексирования.Оптимальнаякомплекснаяобработка r оценок, каждая из которых имеет свою плотность вероятностей, приводит кинформационнымпотерям ,которые определяются аналогичноприведенным выше формулам.

Наоснове закона сохраненияобщего количества информации: ;

, где IX – количество навигационнойинформации, содержащейся в исходном векторекоординат X(t); IH–суммарные потери информациипри детерминированныхпреобразованиях РНП в координаты и перевод координат в различные системы отсчета.

Рис.5. Зависимостькоэффициентагеометрии Kг(1) отвзаимного расположения НАП, НСi иНСk

Введенопонятие информационнойхарактеристики I(wi),под которойпонимаетсязависимость количестваполучаемой навигационной информации от изменения навигационногопараметра wi.Неравномерность функцииI(wi)и еёособые точкипоказывают особенности поступлениянавигационной информации.

Исследованы информационныехарактеристики в условияхаприорнойнеопределенности,снимаемойизмерениями скорости (рис.2), дальности (рис.3), угловогоположения ПТС (рис.4)относительно опорной точки и направления приразличных начальных условиях.

Оценкаинформативностипозиционирования в спутниковойрадионавигационнойсистемеосуществлялась как отношение меры области неопределенностивтрехмерном пространствепо n>1 навигационных спутников (НС) к объему слоянеопределенности,определяемого по сигналам одногоспутника: 8Di.макс D2i0,где Di0 и Di.макс – соответственноматематическоеожидание измеряемой (псевдо)дальности до i-го спутника и максимальная погрешностьеё измерения.

Припозиционировании по двум (i-м иk-м) НС область неопределенности– это эквивалентный тороидобъемом

,

гдеik –угол пересеченияповерхностей (псевдо)дальномерныхсфер вточке позиционирования;rik0 – радиус осевойокружности тороида.

а)б)

Рис.6.Характеристическоесечение области U(2) при различных (a) и равных (б) малых диаметрах пересекающихсятороидов

Коэффициент геометрии Kг(1) (рис.5) показываетувеличение размеров тороида, по сравнению с размерами,определяемымипотенциальнойточностью измерения дальности:

,

где –коэффициент веса погрешностей; – вспомогательная функция угла ik.

Припозиционировании по приему сигналовтрех иболее НСформа области неопределенностиобразуется пересечениями M2тороидов и характеризуетсяхарактеристическимсечением (ХС),-45и характеризуетсяхарактеристическимсечением (ХС), образованногоплоскостью,проходящей через точку позиционированияи точкинаиболее инаименее удаленные между собой наповерхности, ограничивающей эту область. Базовыми следуетпризнать области U(1) иU(2) (рис.6). Остальные образуютсяих пересечением в различном количественномсоотношении.

Определены объемыпересекающихсяобластейнеопределенности U(k),где индексk показываетколичествопересекающихся тороидов:

, 0.

,

где

, j=3;5.

Коэффициент геометрииобласти U(k)постулирован как отношение , где d(k)макс и dc–соответственномаксимальный размер ХС ипотенциальнаяточность измерения дальности в СРНС.Выведены формулы для расчета максимальныхразмеровхарактеристическихсечений, атакже длякоэффициентовгеометрии различныхХС:

; ; ,

где; ,

где

.

Знаниеразмеровхарактеристическихсечений позволяетопределить потенциальную точностьпозиционирования при заданномколичестве используемыхНС, иинформативностьобластей пересечения относительновыбранной. Анализ коэффициентовгеометрии (например, рис.7) в зависимостиот количества пересекающихсятороидов и,группировка тороидов различнымобразом сиспользованиемэлементов всего множества НС,дает возможность выявлятьсистематическуюпогрешность СРНС, возникающуюза счетвлияния ионосферы.

В главе 3 рассмотреныправила формирования критерияэффективности навигационного обеспечения ПТС,а также представлениепоказателей надежности сложныхинформационных управляющих систем (сгруппами отказов различного происхождения)в виде комплексных функций времени.

Рис.7. Графикзависимости коэффициента геометрии Kг(4) отугла пересечения двух областейU(2)

Сформулированы требования к критериюэффективности навигационного обеспечения как кфункции многих переменных (показателейкачества навигационного обеспечения), котораядолжна быть: определенной и однозначной;удобной для продуктивного вычисления; отражатьфизический смысл влияний показателейкачества накритерий эффективности.

При разомкнутой моделиисследования эффективности навигационноеобеспечения предполагается инвариантным ксостояниюподвижногообъекта

,(1)

гдедля m–го (из ,где K – количество элементов в составе КНС, ki – количество состояний i–го элемента, возможных) состояния КНС: Im – информативность КНСопределяемая по методике, рассмотренной в гл. 2; Wоз.m – эффективность решения основнойзадачи навигации (поразомкнутой модели); Эm–функция взвешенных показателейкачестварешения вторичных задачнавигационного обеспечения.

Вероятности состоянийКНС Pm зависят отинтенсивностейотказов еёэлементов. При формированиипоказателяWоз.m оценивались доступностьнавигационныхопределений, искажения рабочих зон РНС и показательэффективностирешения вторичных задачнавигационногообеспечения в момент tjна промежуткевремени T: ; tjT, где А –событиезаключающееся в работоспособностинавигационнойсистемы; Б– событиесоответствующеевыполнениютребований кточности НВО; Qсб.m(T,k) – взвешенная вероятностьотсутствия сбоя определениякоординат РНС; mj – коэффициент пространственно-временного использованияРНС; i –номера координатных осейпространства размерностиN.

 Альтернативныепричины опасных отказов -61 Рис.8. Альтернативныепричины опасных отказов

Взвешенную вероятность Qсб.m(T,k) предлагаетсяопределять по формуле , где –вероятностьпоявления k сбоев в период T, a – параметр распределенияПуассона; GDOP и –коэффициенты,учитывающиегеометрическийфактор иего производные порядка.

Коэффициент пространственно-временного использования РНС включает пространственнуюнеоднородность и нестационарностьрабочих зонРНС. Пространственнаянеоднородностьучитываетсякоэффициентом v.ji (в объеме) или s.ji (наповерхности): v.ij= Vрij/V0ij; s.ij= Sнав.ij /Sрасч. ij, где V0ij,Sрасч.ij, Vрij, Sнав. ij – соответственнорасчетные идопустимые киспользованию меры областей рабочейзоны j-й РНС в i-м состояниидля временинаблюдения 0<tT.

Нестационарностьучитываетсякоэффициентом Т.ij =Tр.ij /To.ij, где To.ij– общее время включения в работу занаблюдаемыйпромежуток времени; Tр.ij– времянормальногофункционирования j-й РНС в i-м состоянии. Принекоррелированности v.ijи Т.ij,коэффициентиспользования рабочей зоны РНС: ij=.

Приисследованиях показателейнадежности ИУС с отказами, бинарно делящимися на группы (рис.8), возникает необходимость определятьпоказателинадежности по каждой из групп,сохраняя общие показателинадежности по всем отказам. Для таких отказов нааксиоматическойоснове предложено представлениепоказателейнадежности в видекомплексных функций времени (табл.1).Это даловозможность по формульнымзависимостям (или по графикам) одновременно судить как опоказателяхнадежности ИУС в целом, так и по отдельным составляющимотказов.

Аксиома 1. Если для показателянадежности z(t) получаются раздельныефункции соответственноzА(t)по группеотказов А иzБ(t)по группеотказов Б, токомплексная форма этогопоказателя , где j – мнимая единица; – нормирующий множитель.

Аксиома2. ЕслиzА(t)и zБ(t) впоказателенадежности (2)имеют смыслвероятности, то, так как событиеотказа ИУСнаступает независимо от его вида, для модуля комплекснойфункции времени (2) справедливывыражения

Вглаве 4исследованыалгоритмы повышения количестванавигационнойинформации: а) повышение информативностипозиционнойнавигации оптимизацией выбора линийположения; б) погрешностиизмерения координат ПТС,движущихся по наперед заданной («жесткой»)траектории; в) восстановление траекториидвижения объекта поодномернымизмерениям при наличииаприорных сведений; г)выполнена оценка доступностинавигационныхопределений в срнс.

№п/п Вид ИУС Показательнадежности, формула Примечания
1. Простые системы Интенсивность отказов Нормирующиймножитель: Модуль:
Нормирующиймножитель: При условии:
Вероятностьбезотказной работы Нормирующиймножитель: Вероятности:
Вероятностьотказа Нормирующиймножитель:
2. Сложныесистемы с последовательным вкл. элементов Вероятность безотказнойработы ; Вероятности: ; nА, nБ – количествоаппаратных иинформационныхотказов
Интенсивностьотказов -
с резервированием Интенсивность отказа ;

Таблица1. Комплексный вид основныхпоказателейнадежностиинформационно–управляющихсистем

Предложена формулировкаопределения линий положения,отличающаяся тем, чтопараметр линии положенияопределяетсяопосредованно из текущих навигационных измерений,Из нееследует, чтов качествелиний положения на плоскости можетиспользоватьсямножество Y изmкривых: yi(x,Pi)=0, i=1,2,3, …, m,пересекающихся в точкенавигации H(xH,yH), которые описываютсяфункциямиразличного вида (например,табл.2). Точность иинформативность позиционированиязависит отформы зонынеопределенности, т.е. коэффициентагеометрии (например, табл.3). Из множества Y образуется qподмножеств (сочетаний) пар линий . Оптимизациякоэффициентагеометрии ,где ||/2–угол взаимного пересечениялиний положения, сводится к выборутакого сочетания линий, при котором угол пересечениякасательных к ним ij/2(i=1,2,…, m; j=1,2,…, m; i j). Вектору Z(xH)т=[zi(xH,Рi)] при x=xH, i=1,2,3, …, m, где приx=xH,

можнопоставить всоответствиенаддиагональнуюматрицу

,

элементами которойявляются углы пересечения возможныхлиний положения в точке Hс текущейкоординатойxH :

Покритерию предлагаетсяделать

выбориз всегомножества Y лишь двух линийположения суглом пересечения близким к /2на координате x=xH.

Таблица2. Параметрынекоторых конических сечений,применяемых

в качестве линий положения

№ п/п Наименованиеи уравнениелинии положения. Уравнениекасательной,проходящей через точку H(xH;yH),и еёугловой коэффициент Графикконического сечения
1 2 3

1.
Окружность с центром в т.А (окружность А) ; ;

2.
Окружность с центром в т.В (окружность В) ; ;

3.
Окружность с центром в т.О0 (окружность О0) ; y0=btg[()/2]; r0=rB/{2cos[(+)/2}];
4. Эллипс (Э) ; ; ; ; .

Оценкаточностиопределениякоординат объектов с известной траекторией движения применима для ряда транспортныхобъектов, траектории движения которых «жестко»определены. Измеренияих пространственных координатобладаютинформационнойизбыточностью. Меры V0 иVn множеств Qnи Q0,состоящихсоответственно из и однотипных элементов(объемов) V,характеризуютприращениеинформации окоординатах объекта,

Таблица3. Коэффициентыгеометрии при использованииконических сечений

№ п/п Пересечениелиний положения Угол ijмежду касательными (в точке H(xH,yH)) клиниям положения с угловыми коэфф. ki,kj : ij=arctg[(ki–kj)/(1+kikj)] Графикизависимостей коэффициента геометрии kг(,)=tgij, где и -нормированные величины: =xH/b и =yH /b при b = const
1.
2.
3.
4.
5.

движущегося по наперед известнойтраектории I = log2(Nn/N0 )=log2(Vn/V0 ),где , Sэл–площадь эллипсоида основаниякриволинейного цилиндра, осьюкоторого служит заданнаятраектория,обусловленнаяконечной точностью измерения координат точки Ci(«трисигма», рис.9); Vn – объём (мера)областинеопределенноститочки C, априори определенныйгрубыми измерениями. Полученыформулы дляпогрешностейпозиционирования при движении объекта на плоскости по прямой, подифференцируемойкривой, ина излометраектории.

Рис.9. Произвольнаяжёсткая траектория движения объекта

Восстановление траекториидвижения объекта наплоскости при одномерныхнавигационныхизмерениях позволяетповыситьэффективность навигационного обеспечениятем, чтов множествоработоспособныхвключаются те состояниянавигационных систем, при которыхосуществляютсяоднокоординатныеизмерения.Доказана теорема овосстановленииплоской траектории: необходимым и достаточнымусловиемвосстановлениятраектории движения точки A наплоскости xОy y=L(x) проходящей через точку с известнымикоординатами A0(x0,y0)при невозможности непосредственногоизмеренияодной еёкоординаты, является задание базовойфункции (x,y,, t)=0, где =( x,y, t),или =(y,t) – независимо измеряемыйпараметр движения точки A, впределахограниченной области D,содержащейискомую траекторию. В качестве базовойфункции () может использоватьсяуравнение траектории на плоскости, а независимоизмеряемогопараметра =() – линейные или угловые скорости или ускорения подвижной точки A(рассматриваемые на заданнойплоскости xОy)относительноточки сизвестными координатами.

Особенности восстановлениятраектории подвижногообъекта заключаетсяв необходимости учетавлияния конечного временивычисления (шага дискретизации),старения информации между измерениями, погрешностейизмерений,динамики объекта.Погрешностиизмерений координаты приводят к увеличениюэнтропиинавигационныхизмерений навеличину H(t)=log2[SV(t)/SK(t)], где:

; ,

x(t), y(x), x,y –соответственноизмереннаяи восстановленные зависимостикоординат иих погрешности; FV(x,у)и FK(x,у)–неявные функции, описывающиесоответственнограницы областей SV иSK.

Вкачестве показателястарения принята функция (рис.10): W(tи)= , где roи r(tи) –характерные радиусы зоннеопределенностиобъекта вмоменты измерений, отличающиесяна промежуток времени tи.

Методика оценки доступностинавигационныхопределений в СРНСоснована наиспользовании в течениепромежутка Tрезультатовизмерений (по видимым НС) текущих координат,формирования вектора погрешностейкоординат ивремени Пт=[X,Y, Z, TSV], атакже оценкитекущих дальномерных погрешностей (RSV) насети опорныхширокозонной станций дифференциальнойсистемы СРНС(ШДПС). Наглавной станции ШДПС оцениваетсяСКО дальномерной погрешностии формируются текущиеоценки пороговых значенийгоризонтального и вертикального геометрических факторов в виде ; .Пользователюсообщаются значения математических ожиданий координат,их дисперсий и параметрараспределенияПуассона сбоев наблюдений.Пользователь производит текущуюколичественнуюоценку вероятности возникновенияkсбоев наинтервалевремени наблюденийT, а также параметрадля определения пороговых значенийгоризонтального HDOP ивертикального VDOPгеометрических факторов.

Приисследовании алгоритмовповышения качества обработкинавигационнойинформациипредложены: алгоритм расчета дифференциальныхпоправок кскоростираспространениярадиоволн для повышенияточности определения координат в навигационномкомплексе скоррекцией от радиотехническойсистемы дальней навигации;способповышенияразрешающейспособности навигационной радиолокационной станции с синтезированиемдиаграммы направленности; повышениеэффективностиприменениярадиотехническойсистемы ближнейнавигации (РСБН) за счет использованияизбыточности.

Определение дифференциальныхпоправок Сi, i=1;2–номер ведомой станции, и Свпо трассамраспространениясоответственно Sij,Sвj, j=1;2–номер точкиизмерения (рис.11), определяетсярешением системыуравнений

Рис.11.К определению дифференциальныхпоправок в РСДН

ij=[SвjСв/(C0+Св)–SijСi/(C0+Сi)]/C0,где C0 – средняяскорость РРВдля данногорайона.Ограниченияпримененияоднократнорассчитанных дифференциальных поправок ijобусловленыстабильностьюсостояния ионосферы.

Повышение разрешающейспособности навигационной РСА при постоянномсопровождении цели и линейном движенииносителя основано намногоканальнойсогласованнойфильтрации скусочно-линейнойаппроксимациейзависимости частоты отраженныхсигналов откоординаты.Численный анализ функциинеопределенностипринимаемыхотраженных линейно-частотно модулированныхимпульсных сигналов от трех участков вблизитраверза цели показываетсужениесинтезированнойдиаграммы примерно на 16% и подавлениебоковых лепестков на 14дБ.

Рис.10. Графики старения информациипри различных скоростях движения V (а)и интервалахнаблюдения (б)

Наоснове анализа возможностейповышенияэффективностиприменениябортового оборудованияРСБН предложено: а)дополнительноиспользовать определение угла сноса

где1и 2 – длины волн радиоколебаний,излучаемых двумя радиомаякамиРМ1 иРМ2 соответственно; F1 иF2 –доплеровские сдвиги частотсигналов указанных радиомаяков,принимаемых на бортуподвижного объекта; 1,и 2 –курсовые углы РМ1 и РМ2; б) повысить помехозащищенности каналадальностизасчет применении «внутреннегокомплексирования»сигналов дальности Dсi, вычисляемогопутём интегрирования радиальнойскорости движения объекта относительно i–гоРМ и Dрi,определяемогометодом активного ответа; в)улучшить точность измеренияазимута подстройкойцентральнойчастоты фильтра сосредоточеннойселекции вусилителепромежуточнойчастотыазимутальногосигнала навеличину пропорциональнуюдоплеровскому сдвигу разностичастот междусигналами радиомаяка и запросчика; г) повысить достоверностьи полнотуконтроля работоспособности азимутально-дальномерного приемника в реальном времени введением автоматическоговстроенного контроля сиспользованиемпоследовательногопереноса частоты стимулирующегосигнала снизкой второй промежуточной вверх до частотыпринимаемого сигнала безизлучения помех.

Впятойглаве проведена оценкаэффективностикомплексной системы навигации с типичнымнаборомнавигационныхсредств. Приэтом рассмотрены: состав и условияработы комплексной системынавигации;вероятности состояний КНС; информативностьсостояний КНС; эффективностьрешения основной и вторичных задачнавигации. Приведены результатырасчета показателя эффективностинавигационногообеспечениявоздушного судна, выполняющегомаршрутныйполет втечение времени T03 часов, с типовым наборомсредств навигации (табл.3).

Расчетпоказателяэффективностивыполнен сиспользованиемматрицы состояний КНС H=[him](9x512) с использованиеммодифицированнойформулы (1). Встолбцах матрицы

H=[him](9x512)=,(6)

записаны: xi=0, если навигационнаясистема (НС),номер которой совпадает со значениеминдекса (табл.3), исправна;=1, если соответствующаяНС неисправна,откуда следует размерностьматрицы 9х29=9х512.

Модификация формулы (1)сведена кневозможностиполучения врезультате расчетов отрицательныхзначенийэффективности:

Информативность КНСопределяется: а) для случая объемнойсистемной навигации; без учета сферичности Земли; б) в проекции областинеопределенностиположения ПТС нагоризонтальнуюплоскость (для РСБН – вдоль линии наклоннойдальности); г) по области неопределенности,в которойПТС находится с доверительной вероятностью 0,95,что соответствует допуску позиционирования

Таблица3. Типовой состав средствнавигационногообеспечения

№ пп Условноенаименование системы Полноеназвание системы
1 СРНС Спутниковаярадионавигационнаясистема
2 Альфа Радиотехническаясистема дальней навигации(дублир.)
3 Чайка Радиотехническаясистема дальней навигации
4 РСБН Радиотехническаясистема ближней навигации
5 VOR/DME Радиотехническаясистема ближней навигации(дублир.)
6 АРК Автоматическийрадиокомпас
7 ДИСС Доплеровскийизмеритель скорости и угла сноса
8 БИНС Бесплатформеннаяинерциальнаянавигационная система
9 СВС Системавоздушных сигналов

впределах примерно ±2рнп, где рнп –среднеквадратичнаяпогрешность измерения(радио)навигационногопараметра; д)для двухаприорных областей, мерой которых являются площадирабочей зонытой системы,информативность которойоценивается, и зонынеопределенностиРСДН «Альфа».

Наоснове анализа принциповработы итехнических данных навигационныхсистем определены формы и площади зон неопределенностисоответствующих устройств. Примеры зон неопределенностей ипараметров показаны в табл.4.

Вероятности Pmm–го состояния КНС, m=1,2,…,512, определенына основевычислениявероятностейбезотказной работы систем с учетомследующих подходов: а)использованырезультаты статистическойобработки реальных данных об их отказах; б)предполагается, что эксплуатируемаяНС соответствует требованиямруководящихдокументов по обеспечениюнадежности и безопасностиперевозок; в)навигационнаясистема находится на основномэтапе эксплуатации исправедливэкспоненциальныйзакон распределения временибезотказной работы: pi(tТ0) exp{– iТ0}, , где i–интенсивностьотказов соответствующей системы, Т0 – время применения системы.

Дляопределения эффективностирешенияосновной задачи навигации рассмотренызначениявероятностейотсутствия сбоев Qmi(по даннымэксперимента) и пространственныйкоэффициент использования рабочей зонынавигационнойсистемы mi(табл.5).

Эффективность решениявторичных задач навигации Эm определена на основании перечня из 17 вторичныхзадач, решаемыхсредствами навигации ПТС. Методомэкспертных оценок устанавливаютсякоэффициенты веса kвт.iзадач. Показатель эффективностирешения вторичных задачкомплексной системой

Таблица 4.Рабочие зоныи информативность навигационныхсистем

Навигационная система(устройство) Форма и границыобласти неопределенности свероятностью P0,95 Площадь областинеопределенности Колич. инф. относ.площади рабочей зоны, бит
Альфа Dвщ = 9103км; 1=200;2=700; =600; SА= 16 км2 SА0=140106км2 IА0= =log2(SАрз/SА) 23 бит.
Чайка 1=60,30;2=42,20; =102,50; SЧ 0,3 км2 SЧ0=20106км2 IЧ0=26бит
РСБН
D =100 м; =0,1250; D0= 10 км; SР(10) 0,2 км2 D0= 100км; SР(100) 2,0 км2 SР0=0,4106км2 IР(10)=21,0 бит IР(100)= 17,5 бит IР(300)=12,6 бит
VOR/DME D =185 м; =0,50; D0= 10 км; SV(10) 1,6 км2 D0= 100км; SV(100) 16 км2 SV0=0,35106 км2 IV(10)= 17,7 бит IV(100)=14,3 бит IV(300)=12,8бит

навигации в состоянии Hm определяется как усредненнаяЕвклидова норма , где эmi– элементывектора Эm =[эmi](9x1); эmi =эi hmi;hmi –элементы матрицы состояний; эi – элементы вектора Э = BтKвт =[эi](9x1), где Kвт=[kвт.i](Nмин x1); B=[bij](Nмин x9) =[bij](17x9) – матрица соответствиявторичных задач, элементыкоторой принимают значения «1» или «0»,соответственно при возможности и невозможностиj–й системой выполнять i–ю вторичнуюзадачу.

Результаты расчетовэффективности Wнодают объективную численную характеристикунавигационногообеспечения при различныхсостояниях КНС, а именно: а) при отказаходной НССi, (рис.12а); б) при работе без СРНС (рис.12б); в) при отсутствиидублирующих систем (рис.12в); г)различных вариантов состоянияКНС (рис.12г).

а)

б)

в)

г)

Рис.12.Диаграммы эффективностинавигационногообеспечения

Наосновании этого сделаны выводы:а) наибольшее влияние на эффективностьнавигационногообеспеченияоказывает СРНС; б) при отсутствии в составе КНС спутниковойРНС влияниепрочих систем наэффективность примерно одинаково; в) снятие с навигационного обеспечения трех дублирующихсистем (ДИСС, VOR/DME, «Альфа») приводит к существенномууменьшению эффективности даже при наличии СРНС; г) методика расчетаэффективностипозволяет сравнивать различные варианты навигационногообеспечения. д) изменениеэффективности при различныхвариантах имеет один явный максимум, и нескольколокальных экстремумов.

Вшестойглаве наоснове ассоциативно-сетевогоподхода предложен синтезструктурынавигационного обеспечения ПТС с эффективностью, инвариантной кструктурно-информационнымизменениям КНС. При этом выполнен анализтребований кэффективности и структуренавигационногообеспечения ПТС и предложено ассоциативно-сетевое структурированиепроцесса обработки навигационнойинформации. Ассоциативно-сетевойподход позволяет повыситьпоказателинадежности, сформировать непрерывноенавигационноеобеспечение при отказахнавигационныхсредств.

Рассмотрены анализпоказателяэффективности,требования кструктуре КНС иассоциативно-сетевоеструктурирование процессаобработки навигационной информации.При анализепоказателяэффективности и требований к структуреКНС показано, что попытка повышенияэффективностисложных

Таблица5. Исходные данные и результаты расчетапоказателя Wоз.i

№ п/ п Навигационная система Показатель СРНС РСДН Альфа РСДН Чайка РСБН VOR/ DME АРК ДИСС БИНС СВС
1 Вероятностьотсутствия сбоя Qсб.i(Т0)на промежутке времени Т0=3ч 0,9850 0,958 0,958 0,9722 0,9722 0,9722 0,9000 1,0 1,0
2 Коэффициентисп. рабоч. зоны i 1,00 1,00 0,50 0,80 0,80 0,99 1,00 1,00 1,00
3 Эффективностьрешенияосновной задачинавигации Wоз.i 0,9850 0,9580 0,9580 0,7778 0,7778 0,9625 0,9000 1,00 1,00

системпутем«механического»увеличенияпоказателей его составляющих,не даетсущественноговыигрыша из-за локальных экстремумов.Целесообразнодостижение высокой эффективности высокой приизменениях обрабатываемых навигационныхсигналов исамой структуры КНС.Информационная и структурнаяинвариантностьэффективностинавигационногообеспечениядостигнута путем ассоциативно-сетевого структурированияпроцесса обработки навигационнойинформации смногоуровневойиерархическойобработкой сигналов.

Принцип ассоциативно-сетевого построениясистемы обработки информации строится напреобразованиинекоторого класса Aисходных сигналов из внешней среды в состояниявершин n-мерного куба (рис.13) –динамическим ассоциативным запоминающимустройством (ДАЗУ). Сформированныйсловарь (навигационнаяинформация) хранится в вершинах многомерногокуба. Присчитыванииинформации путём последовательного(по траектории считывания) обхода по состоянию вершин куба (точек траектории)формируется массивB. В зависимостиот траектории считывания:а) BA;б) BA;в) BA.При считывании вершин по пересекающейсятраектории исходный массивсигналов Aвоссоздается несколькимивариантами.

Модуль,состоящий изнескольких ДАЗУ (рис.14),составляет топологическую основуиерархическойструктуры обработки информации.Каждый модуль взаимодействуетс внешней для него средой через вход и выход. Анализ информации виерархическихструктурахосуществляетсяобработкой словарей снизу вверх –последовательно с нижнегоуровня доверхнего.Формирование поуровневых словарейпредполагает на каждомуровне обработку всей информации,поступающей на входиерархическойструктуры. На вход модуля поступаетмножествообрабатываемыхсигналов (синтаксическая последовательность A).С выходаснимается синтаксическая последовательность С,зависящая оттраекторийсчитывания. Избыточностьинформации последовательностиAостается нанижнем уровне.

Рис.13. Кубхранения исчитывания информации

Рис.14. Стандартный элемент многоуровневойиерархическойструктуры

Информация свертывается по мереподнятия снизких иерархических уровней, на болеевысокие, таккак выделение на каждом уровнесловарейспособствуетосвобождению от частовстречающихся (по заданномупорогу встречаемости) фрагментовпоследовательностей.Одновременно на верхнемуровне происходит запоминаниеотброшенныхфрагментовинформации из нижнегоуровня, чтоспособствует её восстановлению при пропаданиичасто встречающихся (основных)фрагментов.

Технологической основой построения ДАЗУявляются технические устройстваобработкии храненияинформации (в вершинах),линии связии коммутационные устройства,обеспечивающиезапись, хранение и считывание информацииво временнойпоследовательности.

Предложена структура навигационногообеспечения подвижных объектовтранспорта на основеассоциативно-сетевогопроектирования с использованиемДАЗУ ииерархическогопринципа (рис.15). Каждыйуровень иерархической структурыустраняетизбыточность и выполняетсвою частьфункций поформированиюнавигационногообеспечения: от извлечениянавигационной информациииз окружающих подвижныйобъект физических полей (нижнийуровень), через оптимальнуюобработкусигналов,преобразованиякоординат идифференциацииизбыточностиинформации(промежуточныеуровни: второй – девятый), доиндикации иформирования управляющихсигналов (верхнийуровень). Например, избыточнойинформацией для верхнихуровней являются частотырадионавигационныхсигналов, вид модуляции,статистическиехарактеристикирадиосигналов, необходимые на первом уровне На втором и болеевысоких уровнях избыточнымиявляютсястатистическиехарактеристикиплотностейвероятностей оценок (радио)навигационныхсообщений, (радио)навигационныхпараметров,координат, атакже систематические погрешности.

 Иерархия обработкинавигационной информации -163

Рис.15.Иерархия обработкинавигационной информации

Техническим базисомпервогоиерархическогоуровня (вершинамикуба нижнегоуровня ассоциативной сети)являются (рис.16): а)источникинавигационной информации, сорганизациейобработки сигналов по триадному принципу; б) аналого-цифровыепреобразователи и память,сегментированная под особенностиалгоритмов обработки и хранения информации.

Техническая основа более высокихиерархическихуровней –микропроцессоры и устройствапамяти. Информация с нижнего уровня на вершины куба второго и более высокихиерархических уровней поступает по прямым и резервирующимсвязям, выбор которыхосуществляетсякомандами управления.

Рассмотрен выбор числа вершинмногомерного куба на иерархических уровнях из условияобеспечениянепрерывностипоступлениянавигационнойинформации из КНС в ИУС, исходя изтребований кпоказателям надежности (ПН)алгоритмов иэлементовнавигационногообеспечения, которые определяютсянадежностью: а) элементовКНС кактехнических объектов; б) вычислительныхпроцессов; в)алгоритмовнавигационногообеспечения; г) передачи данных и линий связи внутри иерархическогоуровня имежду уровнями.

Приизвестнойвероятности безотказной работы piодного датчика i–готипа ипредельном значении вероятности Pзад.iбезотказнойработы первого уровня минимальноечисло вершин, где .

Такимобразом, создана методологияассоциативно-сетевогоструктурированиянавигационного обеспечения инвариантногок структуреКНС споказателямиэффективности и надежности не ниже заданных.

 Нижний иерархический -166

Рис.16.Нижний иерархический уровеньассоциативно-сетевогонавигационногообеспечения

Приложения включают: 1) результаты экспериментов:а) лётныеисследованияэффективности применения поправок на скоростьраспространениярадиоволн в комплекснойнавигационнойсистеме скоррекцией от РСДН; б) полевыхисследованийпространственногораспределения погрешностей измеренийРНП РСДН«Чайка»; в)натурныхисследованийкачества работы локомотивнойспутниковойнавигационнойаппаратуры МРК 19Л; г) численныхисследований по тестированиюметодики оценки доступности навигационно-временныхопределений;д)натурные ичисленныеисследованиясигналовмагнитоэлектрическихдатчиков прохода колес систем железнодорожнойавтоматикиметодами оптимальной обработки с применениемвейвлет–разложения;

2)программу расчетаэффективностинавигационногообеспечения;

3)статистику отказовсредств радионавигации;

4) актывнедрениярезультатовдиссертационногоисследования.

Заключение

Привыполненииисследований в диссертационнойработе проведены системный иинформационныйанализнавигационногообеспеченияподвижныхтранспортных средств; выполнены теоретическиеисследования оценки и повышения эффективностинавигационногообеспечения подвижныхтранспортных средств; предложены алгоритмыповышения количества и ценности навигационной информации;

4) предложенаметодология синтеза структурынавигационногообеспеченияподвижныхтранспортных средств;

5) предложенапрактическаяреализация решениянекоторых задач навигационногообеспечения;

6) проведеныполевой, лётный, натурный и численныйэксперименты по исследованию алгоритмовнавигационногообеспечения подвижных объектов.

1.Системный анализ показал,что остаются нерешенными некоторыеобщие ичастные проблемы навигационногообеспечения, устранение которых позволит повыситьего качество. Ни одна из навигационныхсистем не имеет свойств, которые быисчерпывающим образом соответствовалитребованиям навигационного обеспечения.Является актуальным разработка методикирасчета и повышения эффективностинавигационного обеспечения.

2. В результате информационногоанализа впервые:

1) предложено определениенавигационнойинформации как категории кибернетики;

2) разработаны основыколичественного определениянавигационной информации с учетом системногоэффекта иинформационныхпотерь приобработке навигационных сигналов;

3) выполнена информационнаяоценка:

а)навигационныхизмерений впроизвольнойнавигационнойсистеме вусловиях априорной неопределенности при снятиинеопределенностиизмерениямискорости, дальности и угла;

б)позиционирования в спутниковойрадионавигационнойсистеме, гдепоказана взаимосвязь коэффициентагеометрии в СРНС и информативностинавигационныхизмерений.

3.На основеинформационногоанализа разработан количественныйпоказатель(критерий)эффективностинавигационногообеспечения и предложены алгоритмыповышения количества и ценности навигационнойинформации. При этом впервые:

1) предложен количественныйпоказатель (критерий) эффективностинавигационногообеспеченияподвижных объектов транспорта с учетомоценки доступности навигационныхопределений,информативностинавигационных систем, а также набора и важностивторичных задач навигации;

2) введено представлениепоказателей надежности в видекомплексных функций времени для сложныхинформационныхуправляющих систем.

3) создан рядалгоритмов повышения количествадобываемой навигационнойинформации, в том числе:

а)восстановлениятраектории движения приодномерных навигационных измерениях;

б)оптимизации выбора коническихсечений вкачестве линий положения;

в)использованияаприорных сведений о «жесткой» траекториидвижения объектас известнымматематическимописанием;

г)оценки доступности навигационно-временных определений;

д)учета реальной скоростираспространениярадиоволн врайоне позиционирования;

е)повышенияразрешающейспособностинавигационнойрадиолокационной станции ссинтезированиемантенны;

ж)повышенияэффективностиприменениярадиотехническихсистем ближней навигации.

4. Впервыепредложена методологиясинтезанавигационногообеспечения на основе ассоциативно-сетевого структурированияпроцесса обработки навигационнойинформации с показателемэффективностиинвариантным к информационным и физическимизменениям комплекснойнавигационной системы.

5. Врезультате экспериментов:

а)показана, для конкретногорайона применения, необходимостьи действенность поправокна скоростьраспространениярадиоволн вКНС сиспользованиемрадиотехническойсистемы дальней навигации;

б)подтвержденывозможности и ограниченияпримененияаппаратуры МРК19Лспутниковойрадионавигационнойсистемы дляпозиционирования подвижных железнодорожныхтранспортныхсредств врайоне г.Иркутска;

в)доказанавозможностьпрактическогоиспользования методикиоценки доступности навигационныхопределений в спутниковойрадионавигационнойсистеме.

6.Практическая реализациярешения задач навигационного обеспеченияподтверждена четырьмя патентами наполезные модели структурных схем, реализующихалгоритмы приема, обработки информации иобеспечения безопасности подвижныхжелезнодорожных единиц.

Такимобразом,диссертационныетеоретическиеисследованияприменимы как длямодернизациисуществующихкомплексныхнавигационных систем, так и для вновь разрабатываемых.

Проверка положений и выводов в экспериментальных исследованияхподтвердила их применимостьна практике.

основные публикациипо теме диссертации

1.Монографии, изданияс грифом УМО

1. Марюхненко В.С. Системный анализнавигационного обеспечения подвижныхтранспортных объектов: монография / В.С.Марюхненко;под ред. д–ра техн. наук, профессора Ю.Ф.Мухопада. –Иркутск: изд–во ИрГТУ, 2008. – 80 с.

2.Марюхненко В.С.Информационный анализ навигационногообеспечения подвижных транспортныхобъектов: монография. – Иркутск: изд-воИрГТУ, 2009. –110 с.

3. Марюхненко В.С.Радиоприемные устройства. Часть 1. Учеб.пособие.– Иркутск.: ИВАИИ, 2001.– 531с.

4. Марюхненко В.С. Основы теории системавтоматического управления: Учеб. пособие.– Иркутск:ИрГУПС, 2008. – 188 с.

Статьи в журналах,входящих в перечень изданий,рекомендованных ВАК

5. Марюхненко В.СПоказатели надежности информационныхуправляющих систем с аппаратными иинформационными отказами как комплексныефункции времени // Вестник СГАУ.– Самара: СГАУ– 2009.–№1(16).–С.10–17.

6.Марюхненко В.С. О свойствахлиний положения второго порядка впозиционной навигации //Авиакосмическое приборостроение. – 2009.– №3.–С.10–16.

7.Марюхненко В.С.Восстановление траектории движенияобъекта на плоскости при одномерныхнавигационных измерениях / В.С.Марюхненко, Ю.Ф. Мухопад //Электромагнитные волны иэлектронные системы.–2008.–№1.–С.4–8.

8. Марюхненко В.СПредставление в видекомплексных функций времени показателейнадежности информационных управляющихсистем с аппаратными иинформационными отказами //Электромагнитные волны и электронныесистемы.– 2009 – №6. – С.30–43.

9. МарюхненкоВ.С. Оценка влияния геометрическогофактора на точность и информативностьпозиционирования объекта в спутниковойрадионавигационной системе // Успехисовременной радиоэлектроники. – 2008, №2. – С.30–40.

10. Марюхненко В. С. Оперативныйконтроль доступности навигационныхопределений пользователей спутниковыхрадионавигационных систем / В. В.Демьянов, В. С. Марюхненко, А. Г. Бяков, М.Г. Комогорцев // Информационно-измерительныеи управляющие системы. – 2008. – №9. – С.31 –39.

11.Марюхненко В.С. Оценкаэффективности навигационного обеспеченияподвижных объектов с учетомпространственных искажений инестационарности рабочих зонрадионавигационных систем //Электромагнитные волны и электронные системы. – 2007. – №2. – С.65–67.

12.Марюхненко В.С. Оценка точности определениякоординат объектов с известнойтраекторией движения //Авиакосмическое приборостроение. – 2006. – №7. – С.43–46.

13.Марюхненко В.С.Информационная оценка навигационныхизмерений в условиях априорнойнеопределенности / В.С. Марюхненко, Ю.Ф.Мухопад // Электромагнитные волны иэлектронные системы». – 2006. – №10. – С.55–61.

14. Марюхненко В.С.Пространственное распределение ошибокизмерений радионавигационных параметроврадиотехнической системой дальнейнавигации //Авиакосмическое приборостроение. – 2005. – №9. – С.25–28.

Патенты и статьи в научныхжурналах

15. Пат. 73570Российская федерация, МПК (2006.01)Всеволновое устройство приёма и обработкинавигационных сигналов [Текст] /В.С.Марюхненко, М.Г.Комогорцев;Патентообладатель Иркутский гос. ун-тпутей сообщ. – 2007148480/22; заявл. 24.12.07; опубл. 20.05.08,Бюл. № 9. –3с.: рис.

16. Пат. 76153Российская федерация, МПК (2006.01) Системамониторинга состояния подвижных объектов[Текст] / В.С.Марюхненко, М.Г.Комогорцев;Патентообладатель Иркутский гос.ун-т путей сообщ. – 2008114483/22; заявл. 14.04.08; опубл. 10.09.08,Бюл. № 25. –3с.: рис.

17. Пат. 78757Российская федерация, МПК (2006.01) Системаинтервального регулирования движенияпоездов [Текст] / В.С.Марюхненко [и др.];Патентообладатель Иркутский гос. ун-тпутей сообщ. – 2008124296/22; заявл. 16.06.08; опубл. 10.12.08,Бюл. № 34. –3с.: рис.

18. Пат. 79082Российская федерация, МПК (2006.01)Устройство обнаружения опасного сближения поездов,следующих в одном направлении [Текст] /В.С.Марюхненко [и др.]; ПатентообладательИркутский гос. ун-т путей сообщ. – 2008125963/22; заявл.25.06.08; опубл. 20.12.08, Бюл. № 35. – 3с.: рис.

19. Марюхненко В.С.Синтез устройства адаптивной коррекцииуправляющих воздействий операторатранспортного средства / В.С. Марюхненко,М.Г. Комогорцев, Т.В. Трускова // ВестникИрГТУ. – 2008.– №3(35).– С.131– 137.

20. Марюхненко В.С.Оценка качества навигационных определенийпри решении прикладных задач / В.В.Демьянов, М.Г. Комогорцев, В.С.Марюхненко// Современные технологии. Системныйанализ. Моделирование.–Иркутск: ИрГУПС. – 2007. – №1(13). – С.115 – 119.

21. Марюхненко В.С.Пути предотвращения критических состоянийна транспорте / В.С. Марюхненко, М.Г.Комогорцев, Т.В. Трускова // Современные технологии.Системный анализ. Моделирование. – Иркутск: ИрГУПС.– 2007.–2(14). – С.96– 102.

22. Марюхненко В.С.Обработка измерений фазы сигналов GPS / В.С. Марюхненко, В.В.Демьянов, П.В. Савченко //Информационные системы контроля и управления впромышленности и на транспорте : Сб. науч.трудов / Под ред. Ю.Ф. Мухопада. – Иркутск: изд-воИрГУПС, 2007. – Вып. 15.С.144-148.

23. МарюхненкоВ.С. Особенности построения линейныхдетерминированных информационныхавтоматических систем управленияподвижными объектами / В.С. Марюхненко Ю.Ф. Мухопад //Современные технологии. Системный анализ.Моделирование. – Иркутск: – ИрГУПС. – 2005. – №4(8). – С.78 – 82.

24. Марюхненко В.С.Особенности синтеза информационныхавтоматических систем управления подвижнымиобъектами при случайных воздействиях //Современные технологии. Системный анализ.Моделирование. – Иркутск: – ИрГУПС. – 2005. – №4(8). – 189 с. – С.123–128.

25. Марюхненко В. С.Обобщенный подход к формированиюнавигационной информации для подвижныхтранспортных средств // Информационныесистемыконтроля и управления в промышленности ина транспорте. – Иркутск: ИрГУПС. – 2005. – Вып.12. – С.92–101.

26. Марюхненко В. С.Системы отсчета в навигационныхизмерениях // Информационные системыконтроля и управления в промышленности ина транспорте. – Иркутск: ИрГУПС. – 2005. – Вып.12. – С.85–91.

27. МарюхненкоВ.С. Определение дифференциальныхпоправок к скорости распространения радиоволн дляповышения точности определениякоординат внавигационном комплексе с коррекцией отрадиотехнической системы дальнейнавигации // Современные технологии.Системный анализ. Моделирование. Иркутск:ИрГУПС.– 2004.– №4.– С.96–98.

28. МарюхненкоВ.С. Анализ показателейнадежности сложных информационныхуправляющих систем с группами отказовразличного происхождения // Авиационно-космическаятехника и технология. – Харьков. – 2008. – №3/50. – С.25–29.

29. Марюхненко В.С.Анализ информативностинавигационных измерений / В.С. Марюхненко, Ю.Ф. Мухопад //Авиационно-космическая техника итехнология.– Харьков:– 2007.– №2.– С.25–32.

30.V.V. Dem'yanov, L.V. Kozienko, M.G. Komogortsev and V.S. Maryukhnenko. The prospects of using GNSS at railway transport // Innovation& Sustainabilityof Modern Railway. Proceedings of the First International Symposium onInnovation & Sustainability of Modern Railway. Proceedings ofISMR'2008.October 16-17, 2008,Nanchang,China. S.433–436.

Статьи в сборникинаучных трудов, доклады наконференциях

31. Марюхненко В.С.Прогнозирование срывов фазовых измеренийGPS приразличных состояниях ионосферы / В.С.Марюхненко, В.В. Демьянов, П.В. Савченко // Сборник научных трудов поматериалам международной научно-практической конференции"Научные исследования и их практическоеприменение.Современное состояние и пути развития 2007" 1–15 октября 2007года. Том 1. Транспорт, Физика и математика.–Одесса: Черноморье. – 2007. – 91 с. Стр.29–31.

32. МарюхненкоВ.С. Критические и предотказныесостояния на транспорте / В.С.Марюхненко, М.Г. Комогорцев // Сборникнаучных трудов по материаламмеждународной научно-практическойконференции «Современные проблемы и пути ихрешения внауке, транспорте, производстве иобразовании 2007». Том 1. Транспорт. – Одесса: Черноморье. – 2007. – 88с.

33. Марюхненко В.С.Информационные основынавигационных определений // Информационные иматематические технологии в научныхисследованиях. Труды ХI международной конференции«Информационные и математическиетехнологиив научных исследованиях». Ч.1. – Иркутск: ИСЭМ СОРАН, 2006. –С.152 –155.

34.Марюхненко В.С. Алгоритмизация первичнойобработки радиосигналов / В.С.Марюхненко, Ю.Ф. Мухопад // Системный анализв проектировании и управлении: Труды Хмеждунар. науч.-практ. Конф. Ч.3. – СПб.: Изд-воПолитехн.ун-та, 2006. –Стр.98–101.

35. Марюхненко В.С..Повышение информативности бортовыхсредств радиотехнической системы ближнейнавигации в условияхСибири и крайнего Севера. Труды 3-гоевразийского симпозиума по проблемампрочности материалов и машин для регионовхолодного климата Eurastrencold-2006. Пленарныедоклады.– Якутск:ЯФ ГУ "Издательство СО РАН". – 2006. – Ч.6. – С.5-9.

36. Марюхненко В.С.Повышение информативности бортовыхнавигационных средств в условиях Сибири иКрайнего Севера// Наука, инновации,образование: актуальные проблемыразвития транспортного комплекса России.Научноеиздание. Материалы международнойнаучно-технической конференции посвященной 50-летиюУрГУПС 16-17 ноября 2006 года. –Екатеринбург: УрГУПС. – 2006. – С. 515 – 517.

37. Марюхненко В.С.Проблемы навигационного обеспеченияподвижных транспортных объектов / В.С.Марюхненко, Ю.Ф. Мухопад // Научно-практическая конференция"Современные проблемы и пути их решения внауке,транспорте, производстве и образовании".Том 1. Транспорт. – Одесса: Черноморье. – 2005. – Стр.67-73.

38. Марюхненко В.С.Повышение разрешающей способностирадиолокационных станций с синтезированиемапертуры // 11–я Международнаянаучно-техническая конференция«Радиолокация, навигация, связь», Воронеж,12-14 апр. 2005. Т 3. – Воронеж: НПФ «Саквоее». – 2005. – С. 1455-1463.

39. Марюхненко В. С.,Мухопад Ю.Ф. Информация как категорияанализа навигационного обеспеченияподвижных объектов транспорта //Информационные системы контроля и управленияв промышленности и на транспорте. – Иркутск: ИрГУПС. – 2009. – Вып.12. – С.92–99.

40.Комогорцев М.Г., Марюхненко В.С.Сравнительный анализ методов фильтрациисигналов датчиков прохода колесаппаратуры железнодорожной автоматики /Современные проблемы радиоэлектроники исвязи: материалы VIII Всерос. науч.-техн. конф.студентов, аспирантов и молодых ученых(Иркутск, 19мая, 2009 г.) / Под ред. А.И. Агарышева, Е.М.Фискина. –Иркутск: изд-во ИрГТУ, 2009. – 288 с. С. 130 – 134.

41. КорольковаЕ.Б., Марюхненко В.С. Детерминированный хаоси его применение / Современные проблемырадиоэлектроники и связи: материалы VIIIВсерос. науч.-техн. конф. студентов,аспирантов и молодых ученых (Иркутск, 19 мая, 2009 г.)/ Под ред. А.И. Агарышева, Е.М. Фискина. – Иркутск: изд-воИрГТУ, 2009.– 288 с. С. 135– 139.

42. Марюхненко В.С.Лошаков Д.А. Понятие информации в задачахнавигации / Современные проблемырадиоэлектроники и связи: материалы VIIIВсерос.науч.-техн. конф. студентов, аспирантов имолодых ученых (Иркутск, 19 мая, 2009 г.) / Подред. А.И. Агарышева, Е.М. Фискина. – Иркутск: изд-воИрГТУ, 2009.– 288 с. С. 179– 182.



 





<
 
2013 www.disus.ru - «Бесплатная научная электронная библиотека»

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.