Навигация автономного подводного аппарата при помощи бескарданной инерциальной навигационной системы

29 марта 2017 года
Филатова Гузель Амировна
(материалы кандидатской диссертации; научные руководители: профессор Н. А. Парусников, в. н. с. Н. Б. Вавилова)

Задачам освоения и исследования Мирового океана уже давно уделяется большое внимание. Одним из основных средств исследований на сегодняшний день являются автономные подводные аппараты (АПА). Малая инерционность, быстрая подготовка к работе, автономность, возможность установки на борт различного оборудования и многое другое позволяет применять АПА для широкого круга научных и прикладных задач.

Одним из ключевых факторов эффективности АПА является точность его навигационной системы. От нее зависит и успешность выполняемой миссии, и ценность исследовательских данных. Обычно навигационная система АПА включает в себя гидроакустический датчик дальности до наводного маяка с известными координатами, лаг, глубиномер, блок чувствительных элементов – датчиков угловой скорости (ДУС) и ньютонометров.

Принципиальным отличием исследуемой в данной работе системы является использование бескарданной инерциальной навигационной системы среднего класса в качестве основы навигационного комплекса. Строится алгоритм комплексной системы, в которой БИНС корректируется при помощи информации о дальности до специального гидроакустического маяка, скоростной информации от лага и информации о глубине погружения, доставляемой глубиномером. В качестве алгоритма оценивания погрешностей БИНС и инструментальных погрешностей средств дополнительной информации используется калмановская фильтрация. Математические модели построены с учетом специфики условий работы аппарата (малые скорости движения, сравнительно малые удаления аппарата от маяка). Работа навигационной системы исследуется на двух типовых движениях аппарата. Проведенное исследования показывают принципиальную возможность использования БИНС для навигации АПА, а в результате анализа получено, что точность алгоритма приемлема в данной задаче.

В процессе анализа было обнаружено свойство неравноточности навигационного решения. Оценки устанавливаются после интервала времени, длительность которого зависит от траектории движения.  Это вызвано переходными процессами оценивания инструментальных погрешностей БИНС. Наличие на борту АПА приемника СНС позволяет построить метод подготовки навигационной системы АПА перед погружением для повышения точности навигации под водой. К программному движению под водой перед погружением добавляется участок движения над водой с включенным приемником спутниковой навигации. Этот интервал времени используется для оценки погрешностей БИНС, в том числе и инструментальных погрешностей датчиков. Исследуется эффективность предложенного решения. Метод исследования — ковариационный анализ. Результаты анализа показывают, что использование предложенного подхода позволяет повысить точность навигационных данных на первых этапах движения.

При использовании гидроакустической системы большое значение на определение дальности оказывает точность используемого масштабного коэффициента — эффективной скорости звука, которая может меняться в зависимости от плотности водной среды. В работе исследуется возможность построения оценки масштабного коэффициента и его влияние на точность навигации.

Таким образом разработан алгоритм навигации автономного подводного аппарата с использованием БИНС, проведен анализ точности и предложен метод подготовки перед погружением, позволяющий повысить точность на начальных этапах движения.