Search

Представлено исследование методов и подходов получения случайных чисел в киберфизических системах с использованием инерциальных датчиков, находящихся в составе этих систем. В работе производилась оценка качества битовой последовательности путем определения статистических свойств случайной последовательности. Получение случайной последовательности осуществлялось в двух режимах - в состоянии покоя и в полете. По результатам исследования данных, полученных в состоянии покоя, было определено, что показания МЭМС-датчиков пространственного положения, использующихся в инерциальных измерительных модулях киберфизических систем, обладают невысокой энтропией, и для их применения в качестве источника для генерации случайных последовательностей необходима дополнительная постобработка. Данные, полученные в полете, обладают лучшими статистическими характеристиками, что говорит о более высоком качестве полученной последовательности. В дальнейшем планируется совершенствование методов постобработки, которые позволят улучшить характеристики битовой последовательности., The purpose of the paper is to study methods and approaches for obtaining random numbers in cyberphysical systems using inertial sensors that are part of these systems. Assessment of the bit sequence quality by determining the statistical properties of the random sequence was carried out in the paper. Obtaining a random sequence was produced in two modes - at rest and in flight. It was determined that data obtained at rest have low entropy. Such sequences require additional post-processing for their use as a source for the randomness. The data obtained in flight have better statistical characteristics, which indicates a higher quality of the sequence. In the future, it is planned to improve the post-processing methods to improve the characteristics of the bit sequence., Датчики и системы, Выпуск 4 (246) 2020, Pages 8-14

Вступ. У роботі розглянуті методи підвищення точності та розширення функціональних можливостей приладів систем орієнтації і навігації (СОН), що використовуються при їх проектуванні з застосуванням сучасних інформаційних технологій. Забезпечення отримання достовірної інформації при її первинному перетворюванні в умовах збільшення керованих рухомих об’єктів стимулює пошук нових рішень. Відомий підхід – введення в вимірювальну систему надлишкових компонентів і зв’язків, що забезпечують її додатковою корисною інформацією (див., наприклад, [1]-[4]). Отже, відбувається розширення математичної моделі вимірювача доповненням основного рівняння перетворення вимірювальної величини одним або декількома додатковими. Основна частина. У роботі представлені та описані загальна структура сучасних інерціальних вимірювачів СОН, її складові частини та програмно-апаратні засоби, що використовуються при їх проектуванні. Показано функціональну взаємодію елементів таких засобів між собою, що сприяє підвищенню ефективності проектування вимірювачів. Усе це реалізується в конкретних системних функціях, які активізуються залежно від умов експлуатації приладу. Досвід останнього десятиліття в розв’язанні багатьох практичних задач і створення сотень практично діючих систем показав, що саме інформаційні технології, які базуються на використанні додаткової вимірювальної інформації, є ефективним конструктивним і економічно виправданим методом послаблення дії певних негативних впливових факторів та покращення функціональних характеристик вимірювачів СОН. Висновки. Впровадження інформаційних технології дозволяють орієнтуватися на розробку ефективних методів програмно-апаратних засобів підтримки проектування таких датчиків СОН, які дозволяють оперативно, в реальному масштабі часу, оцінити не тільки поточний стан рухомого об’єкта, його основні характеристики, а також, за необхідності, використати додаткові вимірювальні параметри та спеціалізовані бази даних, знань та прецедентів, щоб врахувати дію дестабілізуючих факторів, які інколи обумовлюють різні за своєю природою, але тісно взаємодіючі один з одним, процеси. Introduction. The methods of increase of accuracy and expansion of functionality of devices of systems of orientation and navigation (SON) at their designing with use of modern information technologies are considered in the work. Ensuring the receipt of reliable information in real conditions of operation of devices stimulates the search for new solution. One of the approaches is the introduction of redundant components and connections into the measuring system, which can provide it with additional useful information (see, for example, [1-4]). Thus, the expansion of the mathematical model of the meter by supplementing the basic equation of transformation of the measured value by one or more additional ones. Main part. The general structure of modern inertial meters of SON, its components and software - hardware used in their design are presented and described. The functional interaction of elements of such means among themselves that promotes increase of efficiency of designing of meters is shown. All this is implemented in specific system functions, which are activated depending on the operating conditions of the device. The experience of the last decade in solving many practical problems and creating hundreds of practical systems has shown that the use of information technology based on the use of additional measurement information is an effective constructive and cost-effective method of mitigating certain negative influencing factors and improving the functional characteristics of meters SON. Conclusions. The introduction of information technology allows us to focus on the development of effective methods of software and hardware to support the design of such SON sensors, which allow you to quickly, in real time, assess not only the current state of the moving object, its main characteristics, and, if necessary, use additional measurement parameters and specialized databases, knowledge and precedents to take into account the effects of destabilizing factors, which sometimes cause different in nature, but closely interacting with each other, processes. Вступление. При управлении современными сложными техническими объектами невозможно обойтись без современных методов и технологий, как средства контроля в условиях дестабилизирующих факторов. В работе рассмотрены методы повышения точности и расширения функциональных возможностей инерциальных приборов систем ориентации и навигации (СОН), используемых при их проектировании с помощью современных информационных технологий. Обеспечение получения достоверной информации при ее первичном преобразовании в условиях увеличения количества управляемых подвижных объектов стимулирует поиск новых решений. Известный подход – введение в измерительную систему избыточных компонентов и связей, обеспечивающих ее дополнительной полезной информацией (см., например, [1] - [4]). Таким образом, происходит расширение математической модели измерителя за счет дополнения основного уравнения преобразования измеряемой величины одним или несколькими вспомогательными. Основная часть. Представлены и описаны общая структура современных инерциальных измерителей СОН, ее составные части и программно-аппаратные средства, используемые при их проектировании. Показано функциональное взаимодействие элементов таких средств между собой, что способствует повышению эффективности проектирования измерителей. Все это реализуется в конкретных системных функциях, которые активизируются в зависимости от условий эксплуатации прибора. Опыт последнего десятилетия в решении многих практических задач и создание сотен практически действующих систем показал, что именно использование информационных технологий, которые базируются на использовании дополнительной измерительной информации, является эффективным конструктивным и экономически оправданным методом ослабления действия определенных негативных влияющих факторов и улучшения функциональных характеристик измерителей СОН. В условиях, когда в состав датчика входит много компонентов различных типов, для повышения эффективности проектирования современных измерителей целесообразно создать обобщенную модель всего устройства. В работе представлена функциональная структурная схема инерциального измерительного преобразователя систем ориентации и навигации с избыточностью и сделан обзор вариантов реализации предложенного подхода к синтезу указанных датчиков. Выводы. Внедрение информационных технологий позволяет ориентироваться на разработку эффективных методов программно-аппаратных средств поддержки проектирования современных датчиков СОН. Это позволяет оперативно, в реальном масштабе времени, оценить не только текущее состояние подвижного объекта, его основные характеристики, а также, при необходимости, использовать дополнительные измерительные параметры, чтобы учесть действие дестабилизирующих факторов, которые обусловливают иногда различные по своей природе, но тесно взаимодействующие друг с другом, процессы. Наибольших успехов в проектировании датчиков СОН в современных условиях достигают те разработчики, которым удается эффективно интегрировать информационные и вычислительные ресурсы в единую специализированную информационную структуру (базу), в которой определяется и формируется взаимосвязь знаний и данных для поддержки различных форм и алгоритмов принятия решений, анализируется и идентифицируется все многообразие отношений объектов, которые есть в этой области.

Рассматривается влияние положения кварцевого маятникового акселерометра АК-15 в пространстве на показания термодатчика, с помощью которого осуществляется последующая алгоритмическая температурная компенсация ошибок акселерометра. Анализируются значения выходного сигнала термодатчика при различных положениях акселерометра, а также тепловые переходные процессы. Приводятся соответствующие математические зависимости. Предложен способ, позволяющий повысить точность оценки температуры чувствительного элемента прибора., №10 (2020)

Providing high accuracy of the coordinates and trajectories of objects by measurements conducted in navigation systems and complexes is an urgent task, which improves safety and efficiency of different modes of transport. However difficult environmental conditions, where vehicles are commonly used, stipulate influence of different factors on performance of onboard satellite navigation receivers, which are used as basic navigation devices for ground vehicle nowadays. Setting on cars used for common purposes additional navigation devices, which provide better performance, in most cases is economically unreasonable.Economically reasonable ways to improve onboard navigation complexes of vehicles, which are used for common purposes, are examined in this article. Functional diagram and principles of work of navigational complex, which uses the satellite navigation receiver and simplified variant of inertial navigation system is pointed as well.Also, the justification of methods for minimizing the error formats of coordinates and trajectories of moving objects based on information processing in multipositional, in particular satellite-inertial navigation systems and complexes, is presented.The obtained research results give an opportunity to develop an algorithm for coordinate refinement, which can be implemented in the improved on-board navigational complex of vehicle., Рассматривается экономически выгодные пути усовершенствования бортовых навигационных систем автотранспортных средств общего назначения, приводится функциональная схема и принципы работы комплексной навигационной системы, использующей приемник спутниковых навигационных систем и упрощенный вариант инерциальной навигационной системы.Полученные результаты исследований позволяют разработать алгоритм уточнения координат, который может быть реализован в усовершенствованном бортовом навигационном комплексе автотранспортного средства., Забезпечення високої точності визначення координат і траєкторій руху об’єктів за вимірюваннями, що проводяться у навігаційних системах та комплексах, є актуальним завданням, що сприяє підвищенню безпеки та ефективності перевезень різними видами транспорту. Проте складні умови експлуатації автотранспортних засобів обумовлюють негативний вплив різних факторів на ефективність роботи бортових приймачів сигналів супутникових навігаційних систем, які на сьогоднішній день є основними навігаційними пристроями, що встановлюються на наземному транспорті. Встановлення на автомобілях загального призначення додаткових навігаційних пристроїв, що забезпечують підвищення якості навігаційного забезпечення, у більшості випадків є економічно невиправданим.В статі розглядається економічно вигідні шляхи удосконалення бортових навігаційних систем автотранспортних засобів загального призначення, наводиться функціональна схема і принципи роботи комплексної навігаційної системи, що використовує приймач супутникових навігаційних систем і спрощений варіант інерціальної навігаційної системи.Також наводяться обґрунтування методів мінімізації форматів похибок визначення координат і траєкторій рухомих об’єктів на основі обробки інформації у багатопозиційних, зокрема супутниково-інерціальних навігаційних системах та комплексах.Отримані результати досліджень дають можливість розробити алгоритм уточнення координат, що може бути реалізований в удосконаленому бортовому навігаційному комплексі АТЗ.

Дисертація присвячена розробці методів випробувань та калібрувань безплатформенних інерціальних навігаційних систем (БІНС). Метою дисертаційної роботи є розробка і вдосконалення методів випробувань та калібрування БІНС, що дозволяють підвищити точність та ефективність визначення параметрів детермінованих та випадкових процесів у їх вихідних сигналах. Виконано інформаційно-аналітичний огляд стану проблеми у результаті якого була обґрунтована достатня кількість випробувань для отримання параметрів для забезпечення функціонування БІНС з необхідною точністю у статичних умовах. На основі методу варіації Алана розроблено методи статичних випробувань, які вдосконалено використанням вейлет-фільтрації для сигналів лазерних гіроскопів та використанням моделювання температури саморозігріву для сигналів акселерометрів. Для температурних випробувань розроблено метод визначення та алгоритмічної компенсації температурних похибок тривісного блоку акселерометрів у складі БІНС. Перевагами розробленого методу є значне скорочення часу випробувань при невисоких вимогах до обладнання. У даній роботі розроблено метод стендового калібрування, що за рахунок запропонованої математичної моделі та нового підходу до розв'язку рівнянь дозволив зменшити вимоги до часу випробувань. Для підтвердження ефективності стендового калібрування було розроблено алгоритми корекції вихідних сигналів тривісних блоків лазерних гіроскопів та акселерометрів у складі БІНС. Практичне застосування результатів стендового калібрування у реальних зразках високоточних блоків інерціальних вимірювачів та отримані результати довели його ефективність та практичну цінність. This research focuses on the methods of testing and calibration strapdown inertial navigation system (SINS). The aim of the thesis is to develop and improve methods of testing and calibration SINS that provide the accuracy and efficiency of determining the parameters of deterministic and stochastic processes in their output signals. There have been performed information-analytical review for the problem of testing parameters for the functioning of SINS with the required accuracy in static conditions. Theoretically discussed methods for obtain parameters SINS during testing in different conditions. In particular, the paper describes the methods of determining the parameters of stochastic processes signals in high precision laser gyroscopes and pendulum accelerometers during the static test. On the basis of Allan variance developed improved test methods by using wavelet for filtering signals of laser gyroscopes, and by using simulation temperature self heating for correction accelerometers signals. The method for determined and compensation temperature error for the triaxial accelerometers unit under SINS construction was developed. The advantage of the proposed method is a significant reduction in the testing time by low requirements for testing equipment. The algorithms of error correction temperature showed high efficiency and practical value during application in the studied sensors. Stand calibration methods in this study was developed on the base of scalar calibration method and includes calibration method for triaxial accelerometer unit and triaxial laser gyroscope unit. For confirm the efficiency of static calibration correction algorithms were developed. The results of practical application the methods of stand calibration in real inertial units proved the efficacy and practical value of the developed method calibration SINS. Диссертация посвящена исследованию методов испытаний и калибровок бесплатформенных инерциальных навигационных систем (БИНС). Целью исследования является разработка и совершенствование методов испытаний и калибровки БИНС, позволяющие повысить точность и эффективность определения параметров детерминированных и случайных процессов в их первичных сигналах. Выполнен информационно-аналитический обзор состояния проблемы в результате которого было обосновано достаточное количество испытаний для получения параметров для обеспечения функционирования БИНС с необходимой точностью в статических условиях. Теоретически рассмотрены методы, позволяющие получать параметры БИНС при различных условиях испытаний. В частности, в работе рассмотрены методы определения параметров случайных процессов в сигналах высокоточных лазерных гироскопов и маятниковых акселерометров при статических испытаниях. На основе метода Вариации Алана разработаны методы испытаний, которые усовершенствованы использованием вейлет-преобразования для сигналов лазерных гироскопов и использованием моделирования температуры саморазогрева для сигналов акселерометров. Обосновано увеличение точности при графическом способе определения параметров Вариации Аллана для первичных сигналов БИНС. Разработан новый метод температурных испытаний БИНС, который включает в себя методику проведения лабораторных испытаний с циклограммой работы температурной камеры, способ определения функциональной зависимости от температуры детерминированного смещения нулей и масштабных коэффициентов трехосного акселерометра, а так же алгоритм коррекции температурной погрешности измерительных каналов акселерометров. Метод алгоритмической температурной компенсации основан на индикации статических и динамических режимов изменения температуры воздействующей на блок инерциальных датчиков и компенсации этих воздействий в режиме реального времени. Преимуществами разработанного метода является значительное сокращение времени испытаний при невысоких требованиях к испытательному оборудованию. Внедренные в опытные образцы алгоритмы коррекции температурной погрешности показали высокую эффективность и практическую ценность при проведении проверочных испытаний в лабораторных условиях. Метод стендовой калибровки БИНС в данной работе включает в себя метод калибровки трехосного блока акселерометров и трехосного блока лазерных гироскопов. Новый метод калибровки разработан исходя из статических условий применения исследуемой БИНС. Методы стендовой калибровки для трехосных блоков лазерных гироскопов и акселерометров за счет использования алгебры кватернионов при решении уравнений с искомыми параметрами калибровки не требуют большого количества исходных данных, полученных в результате лабораторных испытаний, что в свою очередь сокращает затраты времени на проведение калибровок. Минимизация времени проведения испытаний в стендовой калибровке так же была достигнута путем учета результатов статических испытаний, полученных в данной работе. Для повышения эффективности калибровки в методе применялся подход, который основан на определении некоторых групп калибровочных параметров, а именно масштабных коэффициентов и перекрестных связей измерительных осей, в связанном состоянии при условии их дальнейшего учета в таком виде в алгоритме коррекции. Подтверждение практической ценности и эффективности стендовой калибровки было достигнуто путем применения полученных параметров для разработанных алгоритмов коррекции выходных сигналов высокоточных трехосных блоков лазерных гироскопов и акселерометров в составе БИНС.

Данная работа посвящена исследованию задачи автономной навигации и реализации метода оценки движения наблюдателя в реальном времени. В ходе работы были решены следующие задачи: обзор алгоритмов определения ориентации объекта в пространстве; разработка принципиальной схемы и печатной платы в среде PCAD 2006; реализация алгоритма фильтрации при помощи комплементарного фильтра в среде KeilVision; проверка функционирования алгоритма в среде Matlab, This paper investigates the problem of autonomous navigation and implementation of motion estimation method of the observer in real time. Following problems were solved: A review of algorithms for determining the orientation of an object in space;•Development of the concept and the PCB in the environment PCAD 2006; filtering algorithm using the complementary filter in the environment KeilVision check the operation of the algorithm in Matlab environment

Разработана методика оценки шумовых составляющих в измерительной информации инерциальных датчиков по методу вариации Аллана, при этом расчет вариации Аллана проводился, исходя из заданного уровня достоверности. Методика основана на способе многопараметрической оптимизации предложенной авторами нелинейной целевой функции и апробирована на примере акселерометрической и углоизмерительной информации образца бесплатформенного инерциального блока. Проведен сравнительный анализ полученных оценок шумовых составляющих с соответствующими оценками по классически используемому методу наименьших квадратов, а также с заявленными разработчиком характеристиками. The assessment procedure of noise components in the measurement data of inertial sensors according to the Allan variance method has been developed. Herewith the calculation of the Allan variance was made on the basis of the given confidence level. The procedure is based on multiparametric optimization technique suggested by the authors of nonlinear objective function and proved in terms of accelerometric and angle-measuring information of the strapdown inertial unit sample. The comparative analysis between obtained values of the noise components and corresponding estimates derived from the conventionally used least-squares method, as well as characteristics claimed by designer, was carried out. Кутовой Денис Алексеевич, инженер-конструктор 1 категории, АО «НПО автоматики имени академика Н.А. Семихатова», г. Екатеринбург; kutovoidenis@mail.ru. Перепелкина Светлана Юрьевна, главный специалист тематического подразделения, АО «НПО автоматики имени академика Н.А. Семихатова», г. Екатеринбург; avt@npoa.ru. Федотов Андрей Анатольевич, канд. физ.-мат. наук, ведущий инженер-конструктор, АО «НПО автоматики имени академика Н.А. Семихатова», г. Екатеринбург; avt@npoa.ru. D.A. Kutovoy, kutovoidenis@mail.ru, S.Yu. Perepelkina, avt@npoa.ru, A.A. Fedotov, avt@npoa.ru “Scientific & Production Association of Automatics named after the academician N.A. Semikhatov” JCS, Ekaterinburg, Russian Federation

Предложен аналитический метод формирования требований относительно точности к инерциальным датчикам интегрированной навигационной системы летательных аппаратов. В основу метода положен анализ влияния инструментальных погрешностей на координатную ошибку навигации при различных маневрах воздушного летательного аппарата. Сформулированные требования к инструментальным погрешностям инерциальных датчиков среднего класса точности. The analytical method for the formation of requirements for accuracy of inertial sensors of the integrated navigation system of aircraft has proposed. The method is based on an analysis of the influence of instrument errors on the coordinate navigating error at various air maneuvers of the aircraft. The requirement to the instrumental errors of inertial sensors of the middle class accuracy has formulated.

Разработана имитационная модель движения ИБ, установленного на двухосный поворотный стол (ДПС). Модель позволяет генерировать показания инерциальных датчиков, адекватные их реальной работе, при различных видах движения, характерных для ДПС. Генерируемые моделью данные могут использоваться для создания и отладки алгоритмов паспортизации ИБ. The simulation model of the motion of IB, set on a biaxial turning table (BTT), is developed. The model allows to generate the testimonies of inertial sensors, adequate to their real work, sight different, characteristic for BTS motion. The information generated by a model can be used for creation and debugging of algorithms of the passport system of IB.