Применение навигации в военных целях: спутниковые системы на службе беспилотной авиации.

Применение навигации в военных целях: спутниковые системы на службе беспилотной авиации.

Инновационная архитектура повышенной точности, основанная на системе GPS и получившая название RELNAV, позволяет самолётам-заправщиками беспилотной боевой авиации самостоятельно выполнять операции в воздухе с высочайшей точностью позиционирования.При этом исключается постоянный цикл обращений к головной

системе авианосца, что становится возможным благодаря отлаженной системе обновления данных эфемериса, которые формируются в собственном бортовом компьютере каждого самолёта. Новое решение опережает те, которые основаны на традиционных кинематических методах, так как обеспечивает более точное позиционирование, существенно сокращая обмен сообщениями между воздушными судами и не требуя долгой их обработки.

Программа беспилотных систем морского базирования (N-UCAS), развиваемая военно-морскими силами, призвана испытать новейшие технологии, имеющиеся у США, и снизить риски применения ударных и разведывательных самолётов, располагающихся на авианесущих кораблях.

Рисунок 1. Общая схема автономной дозаправки в воздухе.

Программа испытания автоматизированных систем самого авианосца (UCAS-D) направлена на создание технологий, которые позволят кораблям обходиться в ряде операций без участия человека, в том числе позволят производить автономную заправку в воздухе (AAR).

В случае её успеха будет осуществлён плавный переход к ряду других перспективных программ, призванных снизить риск в использовании как беспилотных, так и управляемых человеком машин.

Основной целью программы N-UCAS является разработка такой системы дозаправки в воздухе, которая сделала бы возможным проведение длительных операций. Как видно из рисунка 1, цель разработки AAR - отобразить находящиеся в воздухе пилотируемые авиазаправщики как можно достовернее. Также необходимо учесть расположение их конструктивных элементов (например, подвижной штанги, через которую подаётся топливо) и разработать алгоритмы работы с учётом особенностей заправки, существующих именно в ВВС США.

Разработанные по проекту “PMA-268” схемы заправки от зонда, который соединяется с носовой частью судна, и непосредственной передачи топлива в бак самолёта изображены на рисунках 2 и 3. Для обеих случаев инерциальная система позиционирования танкера и заправляемого самолёта (UAS) используется для максимально точного определения положения друг относительно друга, что помогает составить верную траекторию движения второго самолёта, а также правильно разместить его в воздухе относительно хвостовой части самолёта-заправщика.

Рисунок 2. Схема заправки с помощью подвижного зонда.

Рисунок 3. Схема заправки с передачей определённого объема топлива в бак напрямую.

Для системы заправки с помощью зонда точность соединения его конуса с приёмной штангой, расположенной на носовой части заправляемого самолёта, обеспечивается системой лазерного наведения. В дополнение к этому предусмотрена система оптического контроля с помощью камер, установленных на корпусе воздушных судов. Она полностью автоматизирована и может

использоваться в обеих вариантах заправки. Во время тестирования UCAS-D используются самолёты, подлежащие списанию. Они применяются для оценки концептуальных возможностей программы и взаимодействия бортового навигационного оборудования с системой GPS. Параллельно определяется точность работы всей системы позиционирования. В разработке приинимает участие федеральное агентство NAVSYS, поддерживающее проект через программу вовлечения малого бизнеса в проводимые исследования. Агентство выступает в роли куратора проекта точного позиционирования (P-RELNAV), вобравшего в себя множество новейших решений, основанных на GPS и превосходящих текущие разработки. Особенности таких решений изложены ниже.

Система точного позиционирования P-RELNAV: алгоритм работы.

Первый метод, разработанный проектом “PMA-268” для вычисления позиций объектов друг относительно друга, использует инерциальную систему, основанную на интеграции с GPS. Он изображён на рисунке 4. Навигационные системы обеих самолётов участвуют в расчёте относительного инерциального вектора ‘е’, который используется для их наводки в режиме реального времени. Показания датчика GPS топливозаправщика также передаются на UAS, где рассчитываются актуальные кинематические данные, которые передаются на авианосец и используются для определения точной позиции воздушных судов и расстояния между ними.

Для разработки этого подхода потребовалось решить целый ряд вопросов, связанных с разнящимися данными от двух воздушных судов. Сами суда использовали при этом одинаковые алгоритмы обработки данных, которые были созданы для правильного захода на посадку и точного позиционирования с помощью GPS. Данные GPS о расположении друг относительно друга затем применяются для калибровки смещения, возникающего в результате инерции. В результате встроенное навигационное оборудование используется для смещения судна в центр воздушного коридора (u), в котором возможна заправка, а также для наводки топливоприёмника на конус топливного шланга.

Рисунок 4. Точное позиционирование с помощью соотнесённых друг с другом систем, базирующихся на GPS

В процессе работы P-RELNAV, показанном на рисунке 5, точные данные об эфемерисе поступают на оба самолёта по защищенному каналу связи, использующему GPS-технологию "NAMATH", разработанную в США. Как показано на рисунке 6, NAMATH предоставляет широкий спектр возможностей для организации связи вооруженными силами. Для этого используется система расширения диапазона (JRE) и корректировка данных GPS в режиме реального времени с помощью точных данных эфемериса, которые постоянно обновляются, таким образом не устаревая. Они обновляются каждые 15 минут специальной подсистемой, отвечающей за контроль показаний GPS. “NAMATH” в настоящее время используется ВС США в решении оперативных задач, помогая точнее поражать цели - например, во время бомбометания, а также улучшить качество местоопределения самих самолётов.

Рисунок 5. Взаимодействие интегрированных в систему P-RELNAV элементов.

Точное позиционирование - для специальных операций.

Рисунок 6. Доставка и обработка точных данных эфемериса по технологии “NAMATH”.

Использование cпециальных поправок существенно снижает риск ошибок в данных GPS, позволяя бортовым компьютерам быстро находить правильное решение, а не рассчитывать каждый раз смещение, возникающее во время движения спутников. Встроенный фильтр данных GPS (или Kalman-фильтр), который имеет оборудование топливозаправщика, используется для выявления остаточных ошибок с отслеживаемых спутников GPS. Данные эти впоследствии отправляются с танкера на заправляемый самолёт, который использует их уже в своём собственном Kalman-фильтре. Как показано ниже, эта окончательная поправка позволяет установить для заправщика и UAS общую точную систему отсчёта, работа которой основана на высокоточных данных о позиции объектов. Эти данные вычисляются с помощью вектора (Е), получаемого из разницы между показателями двух тесно связанных бортовых навигационных систем.

На рисунке 7 показано отличие позиции, рассчитанной по точному GPS-эфемерису, от рассчитанной при постоянной передаче эфемерид. Это показывает, что если с её помощью производить измерения, то погрешность может достигать более 5 метров по горизонтали и более 10 м. Со встроенным в каждый борт GPS-оборудованием эти смещения помогут установить погрешность в определении местоположения и выявить направление такого смещения. Это будет происходить каждый раз, когда спутник меняет свою позицию или начинает отправлять новые данные. Направление, или "тренд" смещения, показывает ошибки в расчёте относительного инерциального вектора (е) между двумя судами.

Рисунок 7. Места с наибольшей погрешностью данных GPS, которые возникают вследствие постоянного изменения данных эфемериса (данные на Март 2010 г.)

Организация и проведение практических тестов P-RELNAV.

Качество работы P-RELNAV было протестировано с помощью двух вертолётов UH-1 "Huey" на базе ВВС "Эглин". Две независимых инерциальных системы GPS были смонтированы на специальном подвесном оборудовании, на земле же был установлен приёмник данных GPS. Он использовался для вычисления меняющейся (кинематической) позиции воздушных судов и её пост-обработки. Источниками исходных данных с вертолётов служили при этом передатчики Magellan ZXW. PGE-поправки были отосланы на бортовое оборудование для вычисления общих, правильно скорректированных навигационных данных. Специалисты агентства NAVSYS записали полученные бортовыми компьютерами данные со встроенных систем Kearfott KN4073 и NovAtel/LN-200, предоставленными корпорацией Dahlgren NSWC. Данные сигналов GPS и данные о степени ускорения и угловой скорости были обработаны с использованием разработок InterNav, после чего был осуществлён их пост-процессинг. Эти данные впоследствии были использованы компанией InterNav для формирования отдельных наборов данных, полученных от каждой из двух бортовых систем - с учётом PGE-поправок и без них, а также для сравнения эффективности абсолютной и относительной систем позиционирования от системы, построенной на основе кинематики. Результаты её испытаний были получены ранее.

Рисунок 8. Оборудование, использовавшееся в испытании системы.

Результаты практических испытаний P-RELNAV.

Алгоритмы работы P-RELNAV были интегрированы в программный пакет InterNav. До этого он использовался для получения высокоточных данных в решениях, основанных на кинематике. В частности, именно эта система была использована в создании канала связи для самолётов F-16, передающего на борт точное время и информацию о местоположении. Обновлённое ПО компании InterNav было разработано с учётом постоянного обновления данных GPS в инерциальных системах позиционирования, где используются дифференциальные PGE-поправки "нулевого возраста" (то есть постоянно обновляющиеся). Также оно учитывает остаточные данные GPS в Kalman-фильтре заправляемого самолёта, что помогает системе задать единую для всех элементов точку отсчёта и произвести правильные вычисления.

Два потока данных от GPS-приёмников разных воздушных судов пригодились для того, чтобы откорректировать множество задержек, возникающих вследствие прохода cигналов через ионосферу Земли. Эти данные также учитываются системой P-RELNAV.

Мерилом производительности всей системы стало сравнение результатов работы двух независимых инерциальных систем, работающих в одной части пространства. В ходе испытаний UH-1 несколько раз поднялись воздух, при этом GPS-антенны были установлены в разных местах фюзеляжа.

Результаты первых лётных испытаний отображены на рисунках с 9 по 14. На рисунке 9 показаны результаты работы бортовой навигационной системы, использующей связанные данные от других судов, но без учёта PGE-корректировки. На рисунке 10 показаны такие же данные, но получаенные с учётом PGE-задержек. Рисунок 11 показывает видимость спутников во время испытаний. Эти графики показывают, что изменения в геометрии группировки спутников значительно влияют на вариативность определяемой позиции, - всякий раз, когда они используются для определения итоговых данных. Фильтры учёта инерции в значительной степени нивелируют эти ошибки, но вместе с тем, конечный результат является не абсолютно точным, погрешность может колебаться в пределах двух метров. Рисунок 12 отображает данные, полученные в той же ситуации, но уже с учётом обработки PGE-задержек. Он показывает, что в результате задействованных технологии точность выросла и достигла 1 метра по горизонтали и 35 сантиметров по вертикали. Для обеспечения точности операций в воздухе, в числе которых и дозаправка, минимизация погрешности в определении позиции крайне важна. Рис. 13 и 14 показывает статистические показатели временных величин, за которые достоверность полученных данных выходит за приемлемую погрешность по горизонтали и вертикали. Это свидетельствует в пользу применения PGE-коррекции для устранения некорректных данных, возникающих из-за ошибок в эфемерисах спутников - ведь эти эфемерисы учитываются всей навигационной системой.

Рисунок 9. Испытание первое: сравнение данных от KN, NovAtel/LN200 и GPS/INS-cистем.

Рисунок 10. Испытание первое: сравнение данных от KN, GPS/INS-cистем и NovAtel/LN200, полученных с учётом PGE-корректировки.

Рисунок 11. Испытание первое: видимость и сила сигналов спутников в KN- и GPS/INS-системе.

Рисунок 12. Испытание первое: соотнесение данных от KN и NovAtel/LN200, полученных при помощи GPS/INS и с учётом PGE-коррекций.

Рисунок 13. Испытание первое: сравнение возможной погрешности измерений по горизонтали для GPS/INS-данных, полученных при включенной PGE-коррекции и без неё.

Рисунок 14. Испытание первое: сравнение возможной погрешности изменений по вертикали для GPS/INS-данных, полученных c учётом PGE-коррекции и без неё.

Учитывая то, что оба использованных в тестировании GPS-приёмника находились примерно в одной области земного шара, они отслеживали одни и те же спутники. Особенность системы дозаправки и её концепция заключаются в том, что ведомый самолёт подходит к танкеру снизу, и некоторая часть неба может быть закрыта. В таком случае использование системами двух самолётов разных спутников может значительно увеличить погрешность местоопределения (в то время, когда возможность PGE-коррекции отсутствует). В случае, когда один спутник скрывается из виду и сигнал от него перестаёт поступать, такая погрешность может достигать 4 метров по вертикали, относительно данных топливозаправщика.

Дальнейшее увеличение эффективности P-RELNAV возможно за счёт постоянного обновления остаточных данных и улучшения алгоритмов обработки в Kalman-фильтре пакета InterNav, что приведёт отслеживаемые показатели, поступающие от спутников, к единым значениям. Эти значения, в свою очередь, будут переданы фильтрам бортовых систем как топливозаправщика, так и UAS. Такой режим работы в настоящее время проходит испытания, результаты будут опубликованы кураторами проекта.

Заключение.

Использование системы P-RELNAV имеет, относительно распространенной в настоящее время кинематической системы, следующие преимущества, востребованные для организации автоматической дозаправки в воздухе:

- Быстрота инициализации: более не требуется времени на решение проблем, связанных с постоянными обращениями к навигационной системе авианосца.

- Надёжная работа в случае, когда топливозаправщиком закрыта часть неба и происходит потеря сигнала от спутника – это не скажется на выполнении операции благодаря постоянной связи между бортовыми системами обоих судов.

- Устойчивость к потери связи с авианосцем: больше не требуется повторной инициализации, если связь с кораблём потеряна в момент заправки от танкера или готовности к ней.

В настоящее время работа по испытаниям и доводке системы P-RELNAV ещё ведётся. Дополнительные данные, полученные в результате тестирования, собираются для оценки эффективности системы. Также они используются в рамках программы UCAS-D, использующей связки из двух воздушных судов для проверки комплекса возможностей P-RELNAV и выявления преимуществ относительно системы P-GPS, основанной на кинематике.

Заказчиком проводимых исследований является федеральное агентство NAVAIR. Данные анализа системы P-RELNAV и результаты лётных испытаний взяты из отчётов проекта “PMA-268” при содействии концерна Dahlgren NSWC.

По материалам:

http://www.gpsworld.com/defense/navigation/unmanned-air-systems-12705

©GPSClub.ru