ПРИМЕНЕНИЕ СПУТНИКОВЫХ НАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ В СИСТЕМЕ УПРАВЛЕНИЯ БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА ДЛЯ ЗАДАЧ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ

++
+


И.В. Макаров 


ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет», г. Красноярск

    

Данная работа освещает опыт использования приёмника сигналов спутниковых навигационных систем в контуре системы управления беспилотного летательного аппарата самолётного типа, а также для обработки получаемых аэрофотоснимков.

 

Развитие элементной базы в области спутниковых навигационных приёмников, а также в области микромеханических вибрационных гироскопов во многом определило современные темпы развития гражданской беспилотной авиации, открывая новые возможности и перспективы.

 

В Сибирском федеральном университете (при поддержке Красноярского краевого фонда поддержки научной и научно-технической деятельности) создан комплекс на базе беспилотного летательного аппарата (БПЛА) для аэрофотосъёмки. Лётная часть комплекса представлена самолётом, выполненным по аэродинамической схеме «бесхвостка» взлётной массой 6кг.

 

Центральным элементом в бортовом комплексе управления БПЛА является блок автопилота, который объединяет в своём составе датчики инерциальной системы навигации, спутниковый навигационный приёмник, систему воздушных сигналов (абсолютный и дифференциальный манометры), а также вычислитель. Работа программного обеспечения (ПО) осуществляется под управлением операционной системы реального времени QNX Neutrino.

1.png

Рисунок 1. Структурная схема системы управления. Где, каналы управления обозначены: q - курс, f - угол крена, j - угол тангажа, l - широта, m - долгота, dрв – угол отклонение руля высоты, dэ – угол отклонения элеронов, dд- требуемая тяга двигателя; сигналы обратной связи: lСНС , mСНС , HСНС ,qСНС –широта, долгота, высота, угол курса по данным спутниковой навигационной системы, соответственно VСВС – скорость по данным систем воздушных сигналов, fИНС, jИНС – углы крен и тангажа соответственно по данным инерциальной системы навигации.

 

В качестве приёмника использован GPS модуль LEA-5S швейцарской фирмы u-blox. Его применение было обусловлено наиболее высоким темпом выдачи координат среди решений, представленных на рынке в 2009 году (в момент разработки первой версии автопилота).

 

Частота выдачи величиной в 4Гц позволила успешно использовать данные со спутникового приёмника напрямую в контуре системы управления (рис. 1), т.е. без комплексирования с данными инерциальной спутниковой навигации, что значительно упрощает реализацию навигационного модуля в составе ПО автопилота.

 

Реализация навигационного и пилотажного ПО учитывает, что частота обновления сигналов обратной связи тех или иных параметров различна, поэтому в составе структуры данных навигационного решения каждый параметр обладает полем с номером текущего отсчёта. Это даёт возможность регулятору системы автоматического управления обрабатывать только те параметры, которые были обновлены между с момента прошлой итерации.

 

Кроме системы управления, измерения линейных координат необходимы для пространственной привязки центров фотографирования аэрофотоснимков, то есть для получения элементов внешнего ориентирования (ЭВО). При аэрофотосъёмке устройство синхронизации, входящее в состав фотоаппаратуры фиксирует абсолютное время срабатывания затвора, сообщая данный параметр автопилоту. Для восстановления точки в пространстве соответствующей моменту фотографирования в автопилоте ведётся буферизация навигационного вектора состояния системы в промежутке 2 секунды. Описываемый алгоритм восстанавливает широту, долготу и высоту как линейную интерполяцию в промежутке tn-k-1 < tf < tn-k, где tf – абсолютное время срабатывания затвора, tn-k-1, tn-k – абсолютное время вычисления вектора состояния до и после срабатывания затвора соответственно.

 

Была проведена серия испытательных полётов с аэрофотосъёмкой тестового полигона. В результате полёта получены снимки с привязкой по алгоритму описанному выше. Полученные снимки были загружены в специализированное фотограмметрическое ПО, было произведено выравнивание. При выпуске ортофотоплана осуществлялась привязки снимков по данным ЭВО, в результате величина относительной невязки составила в 1.9 - 5 метров, что соответствует заявленной погрешности приёмника.

 

Таким образом, полученный комплекс способен получать исходные данные для производства ортофотопланов 1:5000 с использованием стандартного приёмника, решающего навигационную задачу автономно от наземных средств только по дальномерному коду. При использовании наземных визуальных опорных пунктов, определённых в пространстве геодезическими методами, точность привязки позволяет выпускать ортофотопланы 1:1500 масштаба.

 

В   настоящий момент коллективом ведётся работа по модернизации системы управления БПЛА для интеграции спутниковой навигационной аппаратуры систем ГЛОНАСС/GPS с возможностью реализации фазового дифференциально режима. Кроме аэрофотосъёмки данный навигационный комплекс планируется использовать для решения задачи автоматической посадки БПЛА взлётной массой более 20кг.

 

 

I.V. Makarov A.V. Grebennikov

Application of global navigational space systems in a loop of guidance control system of unmanned aerial vehicle for remote sensing.


This paper describes experience of using GNSS receiver for control system of unmanned aerial vehicle and further aerial photography processing.

АДРЕС:

660025, Россия, г. Красноярск,
ул. Электриков, 156/1

номер телефона: +7 (391) 286-61-09