Разработка адаптивного алгоритма выбора созвездий навигационных спутников для многоканальной приемной аппаратуры

В настоящее время наиболее перспективные навигационные технологии основываются на получении и использовании информации от спутниковых радионавигационных систем (СРНС) второго поколения типа ГЛОНАСС и GPS. Для них разработано большое количество типов приемной аппаратуры, позволяющей с высокой точностью определять координаты и скорость различных наземных и околоземных потребителей навигационной информации, а также решать для них разнообразные сервисные задачи /12/.

На современном этапе разработки навигационных средств наблюдается тенденция к перемещению спутниковой радионавигации со вспомогательной на первый план и использования ее как базовой навигационной системы, обеспечивающей решение всего круга задач потреби теля на всем интервале его функционирования. Это связано с тем. что в спутниковых радионавигационных системах наиболее полно выполняются такие важнейшие требования к навигационному обеспечению как глобальность, оперативность, точность и всепогодность111.

Однако изучение потребностей различных пользователей навигационной информации показало, что использование СРНС в интересах различных потребителей кроме перечисленных требований, определяемых первоначальным целевым назначением СРНС, выдвигает и новые более высокие требования, вытекающие из необходимости обеспечения безопасности и экономичности движения, а также решения специальных задач (наблюдение, аэрофотосъемка, поиск полезных ископаемых, поиск и спасение терпящих бедствие транспортных средств и людей) /20/.

При этом повышаются требования к качеству навигационной информации. Под качеством навигационной информации понимаются конечные показатели эффективности функционирования потребителей навигационной информации, выраженные через погрешности определения координат, скорости и времени.

Так например, для космических аппаратов дистанционного зондирования Земли (КАДЗЗ) ошибки знания параметров движения центра масс должны быть ограничены из условия достижения требуемой точности решения задач зондирования /30/. Для решения большинства функциональных задач зондирования необходимо знание положение центра масс К, А в абсолютной геоцентрической системе координат, либо геоцентрической гринвичской системе координат на момент зондирования. Это дает возможность осуществлять зондирование заранее определенных объектов, площадей и маршрутов с требуемым перекрытием и привязывать результаты зондирования к карте Земли.

Повышать качество навигационной информации можно как по пути аппаратного обеспечения, так и путем совершенствования навигационных алгоритмов. Существующие навигационные приемники (НП) имеют жесткую структуру алгоритмического обеспечения, настроенную либо на узкий класс потребителей либо являющуюся универсальной для различных потребителей и построенную по обобщенным оценкам точности навигации.

Навигация, как обслуживающая система, должна обеспечивать выполнение основных задач функционирования потребителей и. следовательно, как решение задачи навигации, гак и ее планирование должно проводиться по конечным показателям функционирования КА.

Так, для КАДЗЗ основными показателями эффективности, связанными с результатами решения задачи навигации являются качество информации зондирования (векторный показатель, включающий линейное разрешение на местности и сдвиг изображения точек на местности) и информационная производительность, характеризуемая полезной площадью сфотографированной земной поверхности или количеством фотопленки, затраченной на фотографирование целевых объектов на поверхности Земли. 6.

КАДЗЗ решают свою целевую задачу на протяжении большей части времени своего активного существования. В силу ряда специальных ограничений в ряде случаев невозможно с большой частотой выполнять навигационные определения. Как правило, с использованием СРНС чаше одного-двух раз на витке навигационные определения КАДЗЗ не проводятся. Поэтому между сеансами измерений вектор состояния и матрицу погрешностей вектора состояния необходимо пересчитывать, используя математические модели движения, что приводит к возрастанию погрешности местоопределения и к ухудшению показателей эффективности КАДЗЗ. В этой связи целесообразно использовать оценки показателей эффективности с учетом интервала прогнозирования. При этом наибольшее влияние оказывают составляющие погрешности местоопределения и скорости в плоскости орбиты КАДЗЗ. Учет этой особенности при планировании сеанса навигационных измерений (СНИ) в навигационном приемнике позволяет использовать дополнительные резервы повышения качества навигации.

Предметом исследований в диссертационной работе является оптимальное планирование СНИ за счет выбора оптимальной совокупности опрашиваемых НС (оптимального рабочего созвездия) в меняющихся условиях функционирования: изменения количества видимых ПС. погрешностей измерений, расположения НС относительно потребителя навигационной информации, задач потребителя, а также числа работающих каналов НП.

Проблема выбора оптимальных созвездий НС рассматривалась в работах В. С. Шебшаевича, П. П. Дмитриева, Н. В. Иванцевича, Л. М. Романова, А. К. Шведова, В. И. Огаркова, В. В. Кульнева. С. Д. Сильвестрова. М. П. Неволько, И. В. Белоконова, О. В. Павлова. В большинстве работ задача решалась для небольшого числа одновременно опрашиваемых НС (соответствующего необходимому числу измерений) и при использовании в качестве критерия оптимальности геометрических характеристик корреляционного эллипсоида вектора состояния потребителя. И. В. Белоконовым была разработана общая методология решения задач планирования спутниковой радионавигации для космических систем дистанционного зондирования Земли. В работе О. В. Павлова исследовалась возможность построения идеально-оптимальных созвездий НС с позиций теории оптимального управления. При этом вопросы выбора оптимальных рабочих созвездий (ОРС) НС с учетом конечных показателей эффективности функционирования потребителей в меняющихся условиях функционирования исследовались неполно.

Выбор ОРС в меняющихся условиях функционирования выдвигает проблему выбора ОРС в реальном времени, которая также является мало исследованной. Следует отметить, что выбор ОРС в реальном масштабе времени не ограничивается скоростью вычислений, т.к. скорость вычислений определяет среднее время на выполнение каждой операции, т. е. производительность, тогда кЬк реальное время на первый план выдвигает другое требование — предсказуемость поведения, т. е. гарантию того, что каждая из операций будет запущена и завершена в строгом соответствии с временными ограничениями. Таки образом, выбор ОРС в реальном времени должен осуществляться на основе хорошо определенного алгоритма так, чтобы процесс планирования СНИ во времени было попятным, предсказуемым и управляемым.

Во многих работах /19. 48, 12. 13 и др./ описывается стратегия уменьшения количества рассматриваемых вариантов созвездий при выборе четырех НС, основанная на выборе такого созвездия, при котором один НС находится по отношению к потребителю в зените, а три остальных 11С равномерно расположены в горизонтальной плоскости. Однако указанное созвездие чаше всего не будет наблюдаться, и выбор близкого к нему рабочего созвездия остается нерешенной задачей из-за отсутствия формализованных правил выбора такого созвездия.

В работе /45/ предложен ряд способов поиска ОРС, обеспечивающих упрощение вычислительных процедур, с доказательством эффективности предлагаемой стратегии 7 навигационных определений на основе моделирования возникающей при этом навигационной задачи. Однако в качестве критерия оптимального выбора рабочего созвездия учитывались только факторы геометрического расположения НС относительно потребителя. Поэтому неодинаковая точность навигационных измерений относительно различных НС. априорное значение или необходимость определения различных компонент вектора состояния потребителя с различной точностью приводит к тому, что предложенная выше стратегия выбора ОРС не является оптимальной.

Большое многообразие возможных ситуаций выбора ОРС заставляет отнести рассматриваемую задачу к проблеме адаптивного выбора вариантов — проблеме определения наилучшей стратегии выбора вариантов в условиях априорной неопределенности /38/. Так как при небольшом количестве возможных ситуаций выбора существует принципиальная возможность заранее для каждой ситуации точно определить оптимальный вариант, в противном же случае выбор ОРС за ограниченное время возможен лишь на основе применения адаптивного подхода, суть которого состоит в надлежащем использовании текущей информации об условиях функционирования и получении тем более качественного решения, чем больше времени отпускается на выбор ОРС.

Задача адаптивного выбора вариантов является одной из важнейших задач теории адаптивных систем, предмет изучения которой составляют разнообразные адаптивные алгоритмы, позволяющие оптимизировать функционирование систем в условиях априорной неопределенности. Суть этих алгоритмов заключается в том, что они указывают, как следует распоряжаться текущей информацией и в результате ее обработки воздействовать на работу системы, изменяя режим, или вариант ее функционирования, с тем, чтобы обеспечить достижение заданной цели. В рассматриваемой задаче адаптивного выбора вариантов созвездий НС такой текущей информацией являются: количество видимых НС, погрешности измерений по различным НС, расположение НС относительно потребителя, решаемая потребителем задача, количество работающих каналов НП, а также время отпускаемое на планирование СНИ.

На основании вышеизложенного формулируется решаемая проблема и цель диссертационной работы.

Решаемая в диссертации задача: разработка адаптивного алгоритма выбора ОРС навигационных спутников в меняющихся условиях функционирования за ограниченное время.

Цель диссертационной работы: повышение качества и снижение трудоемкости решения задачи навигации на основе применения адаптивного подхода при планировании СНИ.

Основные особенности работы: системный анализ условий функционирования НП, расположенного на борту КАучет конечных показателей функционирования потребителей навигационной информацииполучение и использование геометрической интерпретации задачи выбора ОРСкомплексное использование методов дискретной оптимизации;

— получение удобных для планирования СНИ формул аппроксимации ионосферных погрешностей измерений;

— применение методов систем с искусственным интеллектом при программной реализации адаптивного алгоритма выбора ОРС.

Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, приложений и списка литературы из 66 наименований.

Выводы по четвертому разделу.

Предложена реализация адаптивного алгоритма выбора ОРС с использованием элементов искусственного интеллекта так называемый интеллектуальный планировщик (ИП), дающий возможность легкой перенастройки НП как при изменении типа потребителя навигационной информации, так и изменения целей его функционирования.

Представлена структура базы знаний ИП. Описаны все необходимые для его работы структуры данных.

Механизм логического вывода, реализованный в виде «обратной цепочки» рассуждений, позволяет осуществить синтез программы расчета любого параметра, входящего в БЗ ИП из готовых программных модулей.

Использование ИП позволяет адаптивно подстраиваться под текущие условия функционирования за счет использования различных алгоритмов выбора ОРС, которые содержатся в его базе алгоритмов (БА), вероятностных оценок получаемого при их использовании качества навигационной информации, которые содержатся в БЗ, а также за счет использования дедуктивного метода при «сборке» программы из готовых программных модулей.

Заключение

.

Рассмотрена проблема повышения эффективности функционирования потребителей навигационной информации от спутниковых радионавигационных систем типа ГЛОНАСС и GPS за счет выбора оптимальных рабочих созвездий навигационных спутников с учетом особенностей конкретного потребителя и показана необходимость применения адаптивного подхода при планировании сеанса навигационных измерений, суть которого заключается в достижении компромисса между качеством решения задачи навигации и временем выбора оптимального рабочего созвездия (ОРС) в меняющихся условиях функционирования.

Проведен системный анализ условий функционирования навигационного приемника, расположенного на борту космического аппарата дистанционного зондирования Земли (КАДЗЗ), на основе которого выделены существенные параметры, определяющие влияние взаимодействующих подсистем на планирование сеанса навигационных измерений. Описаны их математические модели. При использовании экспоненциальной и параболической моделей аппроксимации ионосферы получены формулы, позволяющие рассчитывать ионосферные погрешности в зависимости от взаимного расположения НС и КАДЗЗ. Определены диапазоны изменения параметров адаптации.

Сформулирована задача адаптивного выбора ОРС в сеансе навигационных измерений, которая заключается в определении наилучшей стратегии поиска ОРС в меняющихся условиях функционирования с учетом требований по качеству решения задачи навигации и времени выбора ОРС. Выделены и обоснованы этапы поставленной задачи в непрерывном случае со снятыми ограничениями по времени, с применением методов дискретной оптимизации, а также с использованием элементов искусственного интеллекта.

Получена геометрическая интерпретация критериев оптимальности, представляющих собой линейную свертку апостериорной ковариационной матрицы вектора состояния навигационного потребителя, и сформулированы правила выбора ОРС, позволяющие выбирать ОРС по геометрическим условиям в одно-, двухи трехмерном случае. Разработана методика построения ОРС в непрерывном случае.

Разработан комплекс алгоритмов по выбору ОРС навигационных спутников, которые используют разные методики перебора навигационных спутников и отличаются как по качеству решения задачи навигации, так и по времени поиска ОРС. Для всех алгоритмов выбора ОРС получены формулы для расчета количества рассматриваемых вариантов созвездий, позволяющих оценить время, затрачиваемое на выбор ОРС. На основе анализа результатов многочисленных расчетов по выбору ОРС с использованием разработанных алгоритмов получены вероятностные оценки качества решения задачи навигации и точности поиска ОРС для КАДЗЗ.

Сформирована логика управляющего алгоритма, выбирающего из всего множества разработанных алгоритмов выбора ОРС и возможных значений их входных.

205 параметров оптимальные, в максимальной степени соответствующие требованиям по качеству и оперативности навигационных определений.

7. Предложена реализация адаптивного алгоритма выбора ОРС с использованием элементов искусственного интеллекта — интеллектуальный планировщик, предоставляющий возможность легкой перенастройки навигационного приемника при изменении как типа потребителя навигационной информации, так и целей его функционирования.