Назначение, виды и принцип действия корреляционно-экстремальных навигационных систем

Основой работы корреляционно-экстремальных навигационных систем является сравнение совокупности ориентиров (текущего изображения) с эталонным изображением, полученным ранее.

Т.е. сравнения информации карты поля с информацией измерителя этого же поля и отыскания экстремума корреляционной функции, т.е. максимума их совпадения, по которому определяется местоположение ЛА относительно принятой навигационной системы координат

Разница в положении этих изображений в принятой системе координат позволяет формировать команды для удержания объекта управления на заданной траектории.

Виды корреляционно-экстремальных навигационных систем:

- КЭНС по рельефу местности;

- КЭНС по изображениям местности (радиолокационная, оптическая).

По виду рабочей информации, получаемой от датчика поля, различают КЭНС следующих типов (рис. 1):

- тип 1- с точечным зондированием поля;

- тип 2- с линейной разверткой зондирования;

- тип 3- с кадровой разверткой зондирования.

Рис. 1. Типы КЭНС

На примере использования поля рельефа рассмотрим принцип работы КЭНС типа 1 с аналоговым вычислителем (рис. 2).

Рис. 2. Принцип работы КЭНС с точечным зондированием поля

Пусть имеется карта поля рельефа h_k (x,y), изготовленная фотооптическим способом (например, в виде негативной или позитивной фотопленки) на основе крупномасштабных топографических карт. Вдоль карты поля по информации о счисленных координатах х и у перемещается считывающее устройство, имитирующее полет самолета над данной местностью.

В считывающем устройстве имеется пять крестообразно расположенных точек считывания, центральная из которых соответствует предполагаемому местоположению самолета.

По мере перемещения самолета над земной поверхностью с точек считывания поступает информация о записанном на карте поле рельефа h_Ki(t), i = 1, 2, 3, 4, 5.

Информация о фактическом рельефе местности, над которой пролетает самолет, получается путем непосредственного измерения абсолютной H_a(t) и истинной высоты H_и(t) с помощью барометрического высотомера и радиовысотомера:

h_ИЗМ(t)=H_a(t)-H_и(t)

Для упрощения рассуждений предположим, что движение самолета осуществляется вдоль оси О_х (на примере измерения только x)

Учитывая зависимость перемещения самолета от времени Х=W∙t, все реализации поля рельефа можно представить как функции расстояния и записать:

h_изм(t)=h(x);

h₅(t)=h(x+Dx);

h₂(t)=h(x+Dx+a);

h₄(t)=h(x+Dx-a),

где, x - реальная координата самолета; Δx - ошибка счисления пути;

a - смещение точек 2 и 4 относительно центра креста.

По этой информации блок отработки, содержащий коррелятор, формирует корректирующий сигнал U_x, воздействующий на интегратор счисления пути. Алгоритм коррелятора основан на упрощенном вычислении корреляционной функции за счет перемножения и осреднения во времени сигналов h(x) и h(x+Δx) по формуле

Здесь интервал 0 - T рассматривается как скользящий т.е. последовательно смещаемый по времени, D - индекс сдвига корреляционной функции. Множитель 1/ T служит для нормировки результата к размеру выборки (делает результат независимым от размера выборки).

Управляющий сигнал образуется следующим образом:

что при учете (1) эквивалентно вычислению корреляционной функции с линейным (а не временным) аргументом, т.е.

где, S=WT - скользящий интервал осреднения.

Раскрывая скобки в подинтегральном выражении, получим

В силу симметричности корреляционной функции поля R(a)=R(-a). Тогда можно записать:

Схема коррекции практически линейна, т.е. в ограниченном диапазоне ошибок

Боковой канал рассмотренной схемы использует другое (перпендикулярное) сечение пространственной корреляционной функции поля рельефа и работает аналогично.

Схема КЭНС с крестообразным расположением считывающих точек явилась одной из первых и получила название дифференциальной.

Ее недостатком является трудность ликвидации больших начальных отклонений. Этого недостатка удается избежать в цифровой КЭНС, где принцип использования корреляционных свойств поля рельефа выступает в несколько ином виде.

Из-за относительно высокой трудоемкости составления карт поля и необходимости хранения этой информации на борту самолета, КЭНС, как правило, используется для периодической коррекции счисления пути. В этом случае вдоль маршрута полета (рис. 3) выбирается несколько участков коррекции, для которых составляется и заносится в память ЦВМ карта поля.

Рис. 3.Участки коррекции КЭНС

Точность КЭНС главным образом зависит от следующих факторов:

- радиуса корреляции поля R;

- времени проведения коррекции (длины участка коррекции);

- точности записи поля на карте (для цифровой схемы - от величины квадрата дискретизации).

Вывод: Системы навигации, основанные на автоматическом сопоставлении некоторого физического поля Земли в точке местоположения летательного аппарата с соответствующей картой, хранящейся в памяти БЦВМ. подучили название корреляционно-экстремальных (КЭНС) и к настоящему времени практически становятся обязательным компонентом бортового навигационного оборудования.

В них могут быть использованы практически все физические поля Земли: рельефа, магнитное, тепловое, гравитационное и т.д. Выбор поля обусловливается его изученностью, так как необходимо составлять соответствующие карты, и стабильностью.

Путем сравнения информации карты поля с информацией измерителя этого же поля отыскивается экстремум корреляционной функции, т.е. максимум их совпадения, по которому определяется местоположение ЛА относительно принятой навигационной системы координат.