Информационный анализ и структурный синтез навигационного обеспечения управляемых транспортных средств (22.03.2010)

Автор: Марюхненко Виктор Сергеевич

в практической работе ОАО «ОКБ СУХОГО»;

в практической работе службой автоматики и телемеханики Восточно-Сибирской железной дороге ОАО РЖД;

в учебном процессе:

а) Иркутского государственного университета путей сообщения (ИрГУПС) и филиалов ИрГУПС – Забайкальском и Красноярском институтах железнодорожного транспорта по специальности «Автоматика и телемеханика»;

б) физико-технического института Иркутского государственного технического университета по специальности «Радиотехника»;

в) военного авиационного инженерного университета (г. Воронеж) по специальности «Эксплуатация авиационного радиоэлектронного оборудования».

Результаты внедрения подтверждаются актами.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались:

1. На трех международных научно-практических конференциях в г. Одесса: "Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании" в 2005, 2006 г. и «Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития» г. Одесса, Украина, в 2007 г.

2. На первом международном симпозиуме «Инновации и техническое обеспечение модернизации железных дорог» г. Нанчанг, Китай, 2008 г.

3. На ХI международной конференции «Информационные и математические технологии в научных исследованиях», Иркутск, 2006 г.

4. На Х международной научно-практической конференции «Системный анализ в проектировании и управлении» , г. Санкт-Петербург, 2006 г.

5. На 3-м евразийском симпозиуме по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата «Eurastrencold-2006», г. Якутск, 2006 г.

6. На международной научно-технической конференции посвященной 50-летию УрГУПС, Екатеринбург, 2006 г.

7. На 11–й Международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь», Воронеж, 12-14 апреля 2005 г.

8. На 7–й Всероссийской с Международным участием научно-технической конференции «Современные проблемы радиоэлектроники», посвященной 110-й годовщине Дня Радио, Красноярск, 5 - 6 мая 2005 г.

9. На V и VIII Межвузовских научно–технических конференциях молодых ученых и специалистов «Современные проблемы радиоэлектроники», Иркутск, ИрГТУ в 2006 и 2009 г.

10. На заседаниях объединенного семинара кафедр «Управление техническими системами», «Телекоммуникационные системы», «Автоматика и телемеханика» ИрГУПС в 2004–2005 г. и специализированного межвузовского семинара по проблемам применения GPS-технологий в народном хозяйстве в 2006 – 2008 г. в присутствии ведущих ученых научных учреждений г. Иркутска, а также аспирантов и ученых, область научных интересов которых – проблемы связи и позиционирования железнодорожных объектов с использованием спутниковых технологий;

11. На заседании научно-технического совета Института инженерной физики и радиоэлектроники Сибирского федерального университета г.Красноярск.

Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 42 работах, в том числе: 2 – монографии (без соавторов); 9 – научные статьи в журналах, входящих в «Перечень ВАК …», из них без соавторов – 7 статей; 12 – статьи в региональных научных журналах; 16 – публикации в сборниках научных трудов и в материалах научно-технических конференций; 4 – патенты на полезные модели.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, содержащих 317 машинописных страницы текста, в числе которых 113 рисунков и 15 таблиц, и восьми приложений с результатами практических исследований, алгоритмом и программой расчетов эффективности и актами внедрения. Библиографический список включает 261 наименование.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика навигационного обеспечения транспортных перевозок. Отмечены направления развития навигационной науки. Сделан краткий лингвистический и исторический экскурс. Показана связь навигации и управления. Сформулировано положение: навигационное обеспечение представляет собой комплекс научных и конструкторских разработок, производства и эксплуатации навигационной аппаратуры как части информационно-управляющих систем, обладающее свойствами больших систем. Показаны важность расширения функций навигационного обеспечения в современных условиях и направления его дальнейшего развития.

Выполнен обзор доступных работ исследований, влияющих на различные аспекты навигационного обеспечения, на основании чего, отмечена целесообразность и необходимость: а) информационного анализа навигационного обеспечения на основе теории информации (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 принципах получения информации (А.А.Красовский). Решению задач обработки сигналов, в том числе и в радионавигации, 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. Проблемами применения радиолокационных навигационных станций с синтезированием антенны (РСА) занимались Г. С. Кондратенков, А.П. Реутов, В.Т. Горяинов, Е.Ф. Толстов. Вопросы реализации цифровых автоматов, предназначенных для решения навигационных задач, рассмотрены в работах Ю.Ф. Мухопада. Влияние ионосферы на работу спутниковых радионавигационных систем изучались учеными под руководством Э.Л. Афраймовича. Влияние нестабильности скорости распространения радиоволн (над произвольной поверхностью) на точность дальномерных измерений показано в работах Ю.Б.Башкуева.

Первая глава посвящена системному анализу навигационного обеспечения управляемых ПТС, которое представляет собой сложную динамическую систему без строгого формального описания. Элементы сложных систем объединены горизонтальным и иерархическим взаимодействием. Для анализа и синтеза таких систем требуется системный подход с разделением их на горизонтальные уровни и иерархические подсистемы по вертикали.

Введена классификация ПТС, удобная для оценки с общих позиций влияния различных аспектов на точность формирования вектора управляющего воздействия. Системный анализ позволяет: а) для ПТС с относительно грубыми требованиями к точности навигации показать перспективу и возможность расширения перечня дополнительных задач навигации; б) для ПТС с изначально высокими требованиями к точности навигации расширить круг «грубых» средств и методов навигации в качестве резервных.

На основе системного анализа навигационного обеспечения по направлениям, показанным на рис.1, сделаны выводы о том, что:

1) нет информационного анализа навигационного обеспечения; не разработана общепринятая методика расчета эффективности применения средств (радио)навигации, а также текущего контроля и прогнозирования доступности навигационных определений СРНС в условиях воздействия внезапных неблагоприятных геофизических факторов и с учетом вариаций геометрического фактора; не решена проблема инвариантности показателей качества навигационного обеспечения при аппаратных либо информационных отказах;

2) является актуальным повышение качества навигационного обеспечения путем: учета реальных рабочих зон радионавигационных систем; расчета показателей надежности работы средств навигации с учетом отказов, бинарно разделяющихся на непересекающиеся множества; определения качества алгоритмов решения задач навигации; учета влияния нестабильности скорости распространения радиоволн; расширения перечня алгоритмов решения задач навигации; более полного использования в целях навигации информации от бортовой РЛС и избыточности самих радионавигационных сигналов; учета способа организации движения ПТС.

Глава 2 посвящена информационному анализу навигационного обеспечения ПТС. Исследованы: информация как категория информационного анализа, подходы к определению количества навигационной информации, информативность навигационных сигналов, информационные оценки навигационных измерений при априорной неопределенности и позиционирования в СРНС. Показано, что применение термина «навигационная информация» предполагает большую общность, чем понятия «координаты», «навигационные данные» или «результаты измерений». На основе анализа различных определений информации как категории кибернетики с одной стороны и особенностей навигационного обеспечения ПТС – с другой. Автором сформулировано, что под навигационной информацией следует понимать совокупность сведений о движении центра масс управляемого ПТС в известных системах координат, добываемых посредством навигационных устройств, систем или комплексов, которые (сведения) предназначены для запоминания, хранения и обработки, что связано с необходимостью дальнейшего использования в алгоритмах функционирования информационно-управляющих систем с целью формирования вектора управляющих воздействий, прикладываемого к управляемому ПТС для решения задач перевозки грузов.

Рис.1. Направления системного анализа навигационного обеспечения информационно-управляющих систем (ИУС) ПТС

Навигационная информация обладает пространственно-временной локализацией сведений о движении ПТС и формируется как рецепцией (при приеме и обработке сигналов), так и генерацией (при комплексировании навигационных измерителей). Навигационная информация является комбинированной и ценностной. Она – составляющая часть технической транспортной информации, сформированной в виде ценной искаженной объективной первичной информации, которая после обработки принимает черты субъективной информации.

Разработка информационной стороны навигационного обеспечения ПТС является более общим, по сравнению с измерениями и обработкой сигналов, уровнем обобщения информационных процессов управления. Выводы информационного анализа предлагается использовать при разработке общих методологических основ формирования, распределения, обработки и использования информационных потоков в КНС и информационно-управляющих систем (ИУС) подвижных транспортных объектов.

– априорно известная область положения объекта в пространстве при грубой оценке;

, где C(x1,x2) и W(x1,x2) – соответственно функции штрафов и эффективности навигационного обеспечения.

Введены понятия, характеризующие системные свойства навигационной информации. Коэффициент эмерджетности (системности) (=(Icист/Iнесист)=(Iнесист+(Icист)/Iнесист =1+?, где Iмн, и Icист – соответственно количество навигационной информации, полученное простым множеством навигационных систем и КНС; (Icист = (Icист – Iнесист) – приращение информации за счет эффекта системности; ? =(Icист/ Iнесист – коэффициент использования системности.

Под системной ((>1; (>0) понимается навигация, при которой навигационная информация генерируется путем использования системного эффекта, то есть влиянием на результат навигации информации, совместно добываемой различными устройствами навигации.

При исследовании информативности навигационных сигналов рассмотрены: а) формирование вектора наблюдения навигационных сигналов u([t, ((t)] = ({e[t, ((t)], n(t)}, где e[t, ((t)] – вектор (размерности N) э.д.с. наводимых в антенне в точке приема, элементы которого ej[t, (j(t)]= E[(1j(t), (2j(t), … …, (ij(t), …, (qj(t), t], q – количество модулируемых параметров излучаемых радиосигналов; ((t)=[(ki(t)]KхN – матрица элементарных навигационных сообщений, сформированных на передающей стороне N передатчиками; K – максимальная размерность векторов сообщений (j(t); n(t) – вектор аддитивных шумов; б) информационные потери при обработке навигационных сигналов.

Источником навигационных сообщений (ki(t) являются фазовые координаты движения ПТС. Формирование навигационных сообщений ((t) представляется как ряд детерминированных матричных преобразований ((t)=[H(((t)H(](KxN), где ((t)(1xK) – вектор навигационных параметров размерности m; H(=[h(.ik](Kxm) и H(=[(h()ik](mxN) – матрицы преобразований.

– условная вероятность значения навигационного сообщения (ik при условии получения оценки (*ik.


загрузка...