В конце мая – начале июня текущего года под эгидой ЦНИИ «ЭЛЕКТРОПРИБОР» прошла очередная международная конференция, посвящённая вопросам разработки и внедрения навигационных систем. Это мероприятие уже давно зарекомендовало себя как один из ведущих отраслевых форумов для специалистов, занимающихся алгоритмами обработки и комплексации данных инерциальных и спутниковых систем навигации, и в этом году представители ООО «Лазерные компоненты» также приняли участие в данной конференции. Как всегда, программа была очень насыщенной, но среди большого объёма пленарных и стендовых докладов на наш взгляд следует особо отметить следующие работы:
1. А.В.Небылов, В.А. Небылов «Современные проблемы навигации и управления полетом WIG-аппаратов».
Доклад был посвящён проблемам навигации тяжёлых экранопланов со взлётной массой от 100 тонн, т.к. это наиболее перспективный вид скоростных амфибий, который может обеспечить быстрое и экономное с точки зрения энергозатрат перемещение пассажиров и грузов различного назначения при полете вблизи опорной поверхности. Кроме того, такой вид авианосителя труднообнаружим для радаров (военное применение). Примером подобного транспортного средства является проектируемый экраноплан «Орлан»:
Однако, существует проблема пролёта такого рода летательных аппаратов над штормовым морем, поскольку полный штиль бывает редко и желательно, чтобы морские волны высотой 6м и с амплитудой 3м, а также ледяные торосы в Арктике, не препятствовали крейсерскому движению экраноплана. Для решения этой задачи необходима разработка нового современного комплекса управления, в основе которого должна лежать распределённая навигационная система в составе инерциальных бортовых датчиков, таких как высокоточные высотомеры. Такую систему ещё предстоит создать с использованием современных технологий (лазерное зондирование, стереоскопическая оптика, PMD-технологии и т.д.), однако уже имеется опыт технологического проектирования подобного приборного комплекса на базе системы стабилизации и демпфирования «Смена-3» экраноплана «Лунь» (главный конструктор В.Б. Диомидов).
2.Сяо Ян Ху, А.В.Небылов, В.В.Перлюк «Разработка комплексной системы бортового оборудования для обеспечения траекторного управления малого беспилотного летательного аппарата».
До сих пор БПЛА, используемые в диапазонах особо малых высот (в пределах 100м), зачастую не имеют полноценных возможностей автономной навигации для обеспечения безаварийного и экономичного полета. Это связано с такими факторами как малые габариты самих БПЛА данного класса (трудность установки дополнительной нагрузки), сложность интеграции навигационных приборов в систему управления БПЛА, а также с измерительными погрешностями самих инерциальных и спутниковых датчиков. Авторы доклада предложили решение данных проблем посредством создания упрощённой схемы БИНС, которая состоит только из трёхосной комбинации МЭМС-акселерометров и приёмника ГНСС. При такой компоновке разработчикам удалось создать архитектуру интеграции обеспечивающую постоянную точность ориентации в пределах 3-5м для квадрокоптеров типа DJI Phantom:
Прототип такой БИНС был успешно протестирован на легкомоторном самолёте. В дальнейшем также предполагается включить в алгоритм общей обработки данных показания барометрического датчика высоты.
3. Кристофер Дёр, Герт Ф. Троммер / Интегрированная система позиционирования радар/ИНС, компенсирующая погрешность рыскания при предположении о манхэттенской геометрии пространства.
Данный доклад был посвящён проблемам ориентации малогабаритного БПЛА в закрытом пространстве:
Не секрет, что использование компактных БПЛА для разведывательных целей в ходе военных или спасательных операций внутри протяжённых помещений гораздо эффективней, чем использование наземных роботов, поскольку БПЛА в условиях частичных разрушений встречают гораздо меньше препятствий для передвижения. Однако имеется существенная проблема, связанная с эффективной в плане быстродействия и точности системой ориентации, иными словами у квадрокоптера в такой среде гораздо больше шансов получить повреждения несовместимые с продолжением миссии, чем у наземного колёсного или шагающего прибора. Эти трудности возможно преодолеть при использовании на БПЛА комбинированной навигационной системы, состоящей из FMCW радара (радиолокатор непрерывного излучения с частотной модуляцией) и IMU (инерциальный измерительный блок). Этот метод определения траектории более надёжен, чем VIO (визуальная инерциальная одометрия), поскольку не использует информацию с визуальных датчиков, получение которой может быть затруднено в условиях плохой освещённости. Модель навигационной системы, предложенная авторами доклада, определяет маршрут БПЛ на основе геометрической метрики Манхэттенского пространства. Прототип данного прибора в ходе испытаний продемонстрировал высокую степень повторяемости маршрута БПЛА, что говорит о точности его ориентации.
4. А. В. Савкин, Д. А. Антонов, Л. А. Колганов, Е. Л. Чехов/Метод комплексной обработки инерциальных и оптико-электронных измерений.
Работа инерциальных навигационных датчиков, установленных на БПЛА, обычно корректируется за счёт данных ГНСС, однако спутниковый сигнал по разным причинам может быть не доступен или искажён, поэтому, как один из вариантов, авторы доклада предлагают корректировать данные ИНС в автономном режиме по изображению земной поверхности, получаемому с оптико-электронной системы (ОЭС), которую имеют многие современные БПЛА:
Для этого осуществляется координатная привязка определённых точек на маршруте полёта БПЛА к полученному изображению в режиме реального времени и их сопоставление с данными ИНС. С этой целью был разработан специальный программный алгоритм, позволяющий производить камеральную обработку полётных данных и определять координаты БПЛА с высокой точностью (погрешность для ИНС навигационного класса составляет 0,02%, для тактических ИНС – 0,1%, для ИНС на МЭМС компонентах – 20%).
5. А. Г. Миков, Р. В. Воронов, А. П. Мощевикин / Автономный Байесовый алгоритм позиционирования автотранспорта с коррекцией по картам зданий и графу дорог.
С развитием беспилотного автотранспорта всё больше даёт о себе знать проблема точности установленных на них ИНС, поскольку использовать ИНС навигационного класса здесь зачастую не получается по экономическим и конструкционным соображениям, а ограничить систему ориентации беспилотного автомобиля только визуальными средствами, радарами и спутниковыми датчиками не является достаточно надёжным решением. В связи с этим, авторы доклада предложили при обработке данных по ориентации беспилотного автомобиля вместо классического алгоритма фильтра Калмана (KF) или его расширенного алгоритма (EKF) использовать сигма-точечный алгоритм фильтра Калмана (UKF), что позволяет включить в единый комплекс данные ИНС вместе с картой дорожной среды и контуров зданий, системой спутниковой навигации (СНС) и данными одометра. Прототип такой комплексной системы был испытан в Петрозаводске и точность ориентации при её использовании составила 12м (через 10мин. после отключения СНС).
6. Клаудиа Конте, Джорджо де Альтериис, Франческо де Панди, Розарио Скьяно Ло Морьелло, Джанкарло Руфино, Доменико Аккардо / Комплексирование камеры поляризации солнечного света и инерциальных датчиков последнего поколения для обеспечения высоконадежной навигации.
Более оригинальный способ корректировки данных автомобильной ИНС предложила группа итальянских разработчиков. Они решили применить для этой цели поляриметрическую камеру:
Данный метод измерения курсового угла платформы основан на использовании состояния поляризации солнечного света. Поляриметрическая камера используется для получения нескольких изображений, которые включают солнечный меридиан/антимеридиан. Основываясь на знании азимута и высоты Солнца в заданном месте и времени, можно сравнить положение Солнечного меридиана/антимеридиана в локальной системе отсчета с его положением в системе отсчета камеры. Из этого сравнения можно точно оценить курсовой угол и использовать его для исправления типичных ошибок дрейфа недорогого инерциального измерительного устройства на основе МЭМС компонентов. Однако, как не трудно догадаться, эта система наиболее эффективна только в дневное время, в ясную и солнечную погоду, что не редкость для Италии, но является проблемой для многих северных регионов.
7. В. М. Ачильдиев, Ю. К. Грузевич, Н. А. Бедро, Ю. Н. Евсеева, М. А. Басараб, Н. С. Коннова, В. М. Успенский / Диагностика заболеваний внутренних органов человека на основе биофизических сигналов сердца.
Как известно, гироскопы могут быть применены не только в навигационных приборах, но и во многих других отраслях науки и техники и даже в медицине. Термин «гирокардиограмма» (ГКГ) уже достаточно хорошо знаком врачам и подразумевает под собой демодуляцию сигналов, генерируемых сердцем, и выявление тех паттернов, которые связаны с различными заболеваниями. ГКГ можно получить с помощью дистанционно-диагностического комплекса «Скринфакс»:
Важным элементом этой системы, помимо чисто аппаратного обеспечения, является программная методика общего информационного анализа сигналов ЭКГ, сейсмокардиограммы (СКГ) и гирокардиограммы (ГКГ) на основе нейросетевого машинного обучения.
8. Р. Р. Бикмаев / Оценка погрешности бесплатформенной инерциальной навигационной системы по результатам распознавания дорожных знаков в многомерном оптическом геофизическом поле.
Возвращаясь к теме беспилотного автотранспорта, стоит отметить, что для беспилотных автомобилей кроме точности ориентации также важен вопрос учёта дорожной обстановки, в частности наличие системы распознавания дорожных знаков и автор данного доклада как раз занимался разработкой прототипа такой системы:
Система считывания пути (ССП) построена на основе БИНС, данные которой интегрируются с цифровой картой дорог (ЦКД), а также с показанием одометра и изображением стереокамеры, осуществляющей мониторинг дорожной обстановки. Инновацией в данной системе являются алгоритмы считывания и обработки сигналов, которые построены таким образом, что позволяют корректировать погрешности курсового угла БИНС за счёт применения оптических сенсоров. Используя информацию карты объектов, камера по каналу цвета распознает ориентиры, а по каналу глубины формирует по контуру распознанного дорожного знака навигационную информацию в виде облака точек, которое является многомерным оптическим геофизическим полем. По нему измеряется местоположение транспортного средства в навигационной системе координат с частотой встречаемости объектов на карте. В перспективе для повышения функциональности навигационного комплекса, стереокамера может быть заменена на систему видеокамера + лидар.
9. М.Ю.Овчинников / Проблемы управления движением и навигации малоразмерными КА в межпланетных миссиях.
Не так давно, благодаря развитию микромеханических технологий, в нашу жизнь вошло понятие «кубсат» (CubeSat) – это широкодоступный в финансовом отношении спутниковый аппарат сверхмалых размеров, который может нести небольшую полезную нагрузку в виде одного или двух приборов и запускаться на ракетоносителях как попутный груз:
Сейчас кубсаты в основном используются на околоземной орбите, однако это не означает, что их нельзя применять в межпланетных миссиях и не только в отношении Луны, например, в 2018г. два американских кубсата MarCo (формата 6U) были отправлены к Марсу. Есть планы в 2024 или 2025 г. запустить к одному их астероидов 12U-кубсат M-Argo с собственной электроракетной двигательной установкой (ЭРДУ) и т.д. вплоть до исследования экзопланет. Естественно, что при планировании таких проектов необходимы новые методы математического расчёта гравитационных манёвров и низкоэнергетических траекторий, на чём и было сосредоточено основное внимание докладчика.
10. М. А. Барулина, Д. В. Кондратов, С. А. Галкина, О. В. Маркелова / Численное и аналитическое моделирование движения наноразмерных элементов инерциальных датчиков.
Прошло не так много времени с момента создания микроэлектромеханических (МЭМС) навигационных датчиков (гироскопов и акселерометров), как мир заговорил о возможности производства наночипов (НЭНС):
Сейчас разрабатываются два основных вида наноэлементов: нанобалки и нанопластины. Главной проблемой при создании таких датчиков является невозможность применения классических теорий для изучения движения наноразмерных элементов, поэтому масштабы таких приборов ограничены значениями от 100нм до 20нм. В этих пределах, согласно мнению авторов доклада, возможна математическая адаптация принципа виртуальных перемещений, теории изгиба пластин третьего порядка и новой модифицированной теории парных напряжений.
Помимо вышеперечисленных докладов, хотелось бы также обратить особое внимание на ряд работ, посвящённых конструкционной разработке новых лазерных гироскопов и ВОГ, а также усовершенствованию конструкции уже существующих:
· Ю.Ю.Брославец, П.В.Ларионов, Э.А.Миликов, А.Д.Морозов, А.А.Фомичев, Е.А.Полукеев, В.Г.Семенов, А.И. Вареник, А.Б.Тарасенко, П.А.Филатов, А.Б. Колчев / Новый четырехчастотный зеемановский лазерный гироскоп с непланарным симметричным резонатором, его параметры и особенности работы.
· Д.Р. Деветьяров / Поляризационно-устойчивый германосиликатный световод с эллиптичной сердцевиной для волоконно-оптических гироскопов.
· 78. П.К. Плотников / Исследование эффекта от введения в состав трёхкомпонентного гироскопического измерителя угловой скорости, на основе гироскопа Ковалевской, компьютерной модели его поступательных движений и отрицательных электромеханических обратных связей по сигналам от них.
Конечно список интересных докладов этим не исчерпывается и мы, как и все участники, будем с нетерпением ожидать новой международной конференции по интегрированным навигационным системам, которая должна будет состояться в Китае в 2022г.