Автокомпенсація інструментальних похибок акселерометрів автономної інерціальної навігаційної системи крейсерського рухомого об’єкту

Скорочена інформація про документ
dc.contributor.advisorЧерняк, Микола Григорович
dc.contributor.authorЛесюк, Маркіян Павлович
dc.date.accessioned2026-06-29T08:02:40Z
dc.date.available2026-06-29T08:02:40Z
dc.date.issued2026
dc.description.abstractЛесюк М.П. Автокомпенсація інструментальних похибок акселерометрів автономної інерціальної навігаційної системи крейсерського рухомого об’єкту. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 173 «Авіоніка» – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2025. Підготовка здійснювалася на кафедрі систем керування літальними апаратами Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» Міністерства освіти і науки України. Дисертаційна робота присвячена розробці методу автокомпенсації інструментальних похибок акселерометрів автономної безплатформної інерціальної навігаційної системи крейсерського рухомого об’єкта, що забезпечує підвищення точності інерціального визначення горизонтальних проекцій лінійної швидкості та координат за умов тривалої автономної роботи. Тематика дослідження пов’язана з підвищенням точності автономних інерціальних навігаційних систем, у яких навігаційна задача розв’язується виключно за результатами вимірювання проекцій лінійного прискорення та кутової швидкості, а накопичення навігаційних похибок зумовлене інструментальними похибками первинних датчиків. Особливу увагу приділено адитивним та квазіадитивним похибкам горизонтальних акселерометрів, що в умовах крейсерського руху – коли об’єкт більшу частину траєкторії рухається паралельно площині горизонту та практично не маневрує – лінійно інтегруються у похибки швидкості та квадратично у похибки координат, істотно обмежуючи можливу тривалість автономної навігації. Для сучасних крейсерських рухомих об’єктів особливо актуальним є забезпечення високої точності навігаційних систем в умовах радіоелектронної протидії, навмисного придушення супутникових радіонавігаційних сигналів та обмеженої доступності зовнішніх коригувальних вимірювань. У таких умовах просте підвищення класу точності акселерометрів або перехід до комплексованих систем не забезпечує потрібного поєднання автономності, вартості та точності. Це зумовлює необхідність розробки спеціальних методів зменшення впливу інструментальних похибок, які не вимагають їхнього прямого оцінювання та корекції. В роботі розглядається підхід, у межах якого автокомпенсація інструментальних похибок реалізується за рахунок модуляційних рухів горизонтальних акселерометрів, що перетворюють сталі похибки у періодичні складові з нульовим середнім значенням у навігаційній системі координат. Для обґрунтування та синтезу такого методу використовуються сучасні засоби математичного моделювання, побудова детальних математичних моделей інструментальних похибок та їхнього впливу на навігаційні похибки, а також розробка алгоритмів обробки вимірювань, придатних до реалізації в реальному навігаційному обладнанні. Метою дисертаційної роботи є зменшення навігаційних похибок автономної безплатформної інерціальної навігаційної системи крейсерського рухомого об’єкта шляхом застосування методу автокомпенсації інструментальних похибок горизонтальних акселерометрів за допомогою модуляційного обертання. У першому розділі проведено всебічний огляд існуючих методів зменшення впливу інструментальних похибок акселерометрів на точність автономних і комплексованих безплатформних інерціальних навігаційних систем крейсерських рухомих об’єктів. Розглядаються сучасні підходи до підвищення точності інерціальної навігації, зокрема використання високоточних датчиків, комплексованих систем та методів ротаційної модуляції, аналізуються їхні переваги й обмеження, обґрунтовується доцільність розвитку саме автономної безплатформної інерціальної навігаційної системи з автокомпенсацією інструментальних похибок акселерометрів. Другий розділ присвячено розгляду впливу інструментальних похибок навігаційних акселерометрів на точність автономної безплатформної інерціальної навігаційної системи крейсерського рухомого об’єкта на етапах початкового виставлення та навігації. На основі аналізу отриманих виразів формулюються узагальнені вимоги до інструментальних похибок акселерометрів. У третьому розділі розроблені математичні моделі методу автокомпенсації інструментальних похибок горизонтальних акселерометрів у складі безплатформної інерціальної навігаційної системи шляхом їх модуляційного обертання. Подається опис реалізації модуляційного обертання та особливості застосування для крейсерських рухомих об’єктів. Розроблені математичні моделі похибок методу автокомпенсації інструментальних похибок акселерометрів. Проводиться аналіз залишкових навігаційних похибок, що зумовлені неточностями реалізації модуляційних рухів, похибками кутових датчиків, неортогональністю осей чутливості акселерометрів. У четвертому розділі описані експериментальні стенди та методики дослідження ефективності методу автокомпенсації інструментальних похибок акселерометрів. Наведено результати експериментальних досліджень модуляційного обертання, а також порівняння експериментальних даних із результатами математичного моделювання. П'ятий розділ присвячено побудові навігаційного блока акселерометрів із застосуванням методу автокомпенсації їх похибок, опису конструктивних рішень та результатам експериментальних випробувань блока у складі автономної безплатформної інерціальної навігаційної системи крейсерського рухомого об’єкта. На основі отриманих результатів сформульовані висновки щодо використання розробленого блока в реальних системах та роботоздатності підходу для побудови таких блоків датчиків. Наукова новизна отриманих результатів 1. Розвинуто автокомпенсаційний метод підвищення точності гіроскопічних систем для зменшення впливу інструментальних адитивних похибок горизонтальних акселерометрів безплатформної інерціальної навігаційної системи на похибки визначення горизонтальних проєкцій лінійної швидкості та координат шляхом модуляційного обертання цих акселерометрів навколо вертикальної приладової осі, що дозволяє зменшити на один ступінь залежність похибок визначення горизонтальних проєкцій лінійної швидкості та координат від часу. 2. Вперше встановлено, що в безплатформній інерціальній навігаційній системі при застосуванні методу автокомпенсації: - збільшення швидкості модуляційного обертання акселерометрів додатково призводить до пропорційного зменшення похибок визначення горизонтальних лінійних швидкостей і координат рухомого об’єкту, що, відповідно, підвищує ефективність застосування методу; - не відбувається зменшення впливу мультиплікативних та випадкових похибок горизонтальних акселерометрів на вище вказані інструментальні похибки безплатформної інерціальної навігаційної системи. 3. Визначено вплив реальних технологічних похибок реалізації безплатформної інерціальної навігаційної системи із застосуванням методу автокомпенсації, таких як адитивні похибки акселерометрів, похибка вимірювання кута повороту платформи, похибки встановлення акселерометрів на платформу, похибки відхилення реальної осі обертання від вертикальної приладової осі безплатформної інерціальної навігаційної системи, на вище згадані інструментальні похибки. Показано шляхи усунення/зменшення цього впливу до допустимого рівня. Практичне значення роботи 1. Отримано аналітичні формули, що дозволяють при проєктуванні автономної безплатформної інерціальної навігаційної системи із застосуванням методу автокомпенсації: - при відомих значеннях адитивних похибок акселерометрів та частоти їх модуляційного обертання оцінити навігаційні похибки безплатформної інерціальної навігаційної системи (задача аналізу); - за наявними вимогами до навігаційних похибок безплатформної інерціальної навігаційної системи висунути вимоги до заданих точності акселерометрів та параметрів обертального руху платформи (задача синтезу). 2. Отримано інженерні формули, що дозволяють висунути вимоги до технологічних похибок реалізації безплатформної інерціальної навігаційної системи. 3. Дороблений, за результатами виконаних досліджень, тривісний блок навігаційних акселерометрів підприємства ДП СПБ «Арсенал», шляхом застосування обертальної платформи, на яку встановлено два горизонтальних акселерометра, і випробуваний у складі макету безплатформної інерціальної навігаційної системи із застосуванням розробленого методу автокомпенсації, підтвердив високу ефективність методу. Підтвердження ефективності було проведено на лабораторній базі підприємства з дозволу адміністрації підприємства та можливістю використання результатів досліджень, отриманих аспірантом у ході виконання практичної частини дослідження для включення до тексту дисертаційної роботи, про що свідчить лист в.о. директора підприємства Юр’єва Ю. Ю. від 9 лютого 2026 (№ 225/70 12/1) року на ім’я директора НН ІАТ Коробка І. В. Також, за результатами дисертаційних досліджень, було складено Акт про використання результатів досліджень дисертаційної роботи в ДП СПБ «Арсенал» (Додаток Д). Публікації. Основні наукові результати дисертаційної роботи опубліковані у 1 науковій статті у фаховому виданні, включеному до переліку наукових фахових видань України категорії «А» яке індексуються в Scopus, у 2х наукових статтях у фахових виданнях, включених до переліку наукових фахових видань України категорії та «Б», у 2 тез доповідей на міжнародних науково–технічних конференціях.
dc.description.abstractotherLesiuk M.P. Auto-compensation of instrumental errors of accelerometers in an autonomous inertial navigation system of a cruising vehicle. – Qualifying scientific work as a manuscript. Dissertation for the degree of Doctor of Philosophy in specialty 173 "Avionics" – National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute", Kyiv, 2025. The research was carried out at the Department of Aircraft Control Systems of the National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute", Ministry of Education and Science of Ukraine. The dissertation is devoted to the development of a method for the autocompensation of instrumental errors of accelerometers in an autonomous strapdown inertial navigation system (SINS) of a cruising vehicle, which ensures increased accuracy in the inertial determination of the horizontal projections of linear velocity and coordinates under conditions of prolonged autonomous operation. The research topic addresses the accuracy improvement of autonomous inertial navigation systems, where the navigation problem is solved solely based on the measurement of linear acceleration and angular velocity projections, and the accumulation of navigation errors is caused by the instrumental errors of primary sensors. Special attention is given to the additive and quasi-additive errors of horizontal accelerometers, which during cruising motion—when the vehicle moves parallel to the horizon plane for most of its trajectory and practically does not maneuver—are linearly integrated into velocity errors and quadratically into coordinate errors, significantly limiting the possible duration of autonomous navigation. For modern cruising vehicles, ensuring the high accuracy of navigation systems under conditions of electronic warfare, intentional jamming of satellite radio navigation signals, and limited availability of external corrective measurements is particularly relevant. Under such conditions, a simple upgrade in the accuracy class of accelerometers or a transition to integrated systems does not provide the required combination of autonomy, cost-effectiveness, and accuracy. This necessitates the development of special methods to mitigate the impact of instrumental errors that do not require their direct estimation and correction. The thesis considers an approach where the auto-compensation of instrumental errors is implemented through the modulation movements of horizontal accelerometers, transforming constant errors into periodic components with a zero mean value in the navigation coordinate system. To substantiate and synthesize this method, the study employs modern mathematical modeling tools, constructs detailed mathematical models of instrumental errors and their impact on navigation errors, and develops measurement processing algorithms suitable for implementation in actual navigation equipment. The aim of the dissertation is to reduce the navigation errors of an autonomous strapdown inertial navigation system of a cruising vehicle by applying the method of auto-compensation of horizontal accelerometer instrumental errors using modulation rotation. The first chapter provides a comprehensive review of existing methods for reducing the impact of accelerometer instrumental errors on the accuracy of autonomous and integrated strapdown inertial navigation systems in cruising vehicles. It examines modern approaches to improving the accuracy of inertial navigation, particularly the use of high-precision sensors, integrated systems, and rotational modulation methods. Their advantages and limitations are analyzed, and the expediency of developing an autonomous strapdown inertial navigation system specifically with auto-compensation of accelerometer instrumental errors is substantiated. The second chapter focuses on the impact of navigation accelerometer instrumental errors on the accuracy of an autonomous SINS of a cruising vehicle during the initial alignment and navigation stages. Based on the analysis of the derived expressions, generalized requirements for the instrumental errors of accelerometers are formulated. The third chapter develops mathematical models of the method for autocompensating instrumental errors of horizontal accelerometers within a SINS via their modulation rotation. It describes the implementation of modulation rotation and the specific features of its application for cruising vehicles. Mathematical models of the errors of the accelerometer auto-compensation method are developed. An analysis of residual navigation errors caused by inaccuracies in the implementation of modulation movements, angular sensor errors, and the non-orthogonality of the accelerometers' sensitivity axes is conducted. The fourth chapter describes the experimental test benches and methodologies for investigating the effectiveness of the accelerometer auto-compensation method. It presents the results of experimental studies of modulation rotation, as well as a comparison of experimental data with the results of mathematical modeling. The fifth chapter is devoted to the construction of a navigation accelerometer unit utilizing the developed auto-compensation method, detailing the design solutions and the results of experimental testing of the unit as part of an autonomous SINS of a cruising vehicle. Based on the obtained results, conclusions are drawn regarding the use of the developed unit in real systems and the viability of this approach for constructing such sensor units. Scientific novelty of the obtained results 1. An auto-compensation method for improving the accuracy of gyroscopic systems has been further developed to reduce the impact of instrumental additive errors of horizontal accelerometers in a strapdown inertial navigation system on the errors in determining the horizontal projections of linear velocity and coordinates. This is achieved via the modulation rotation of these accelerometers around the vertical instrument axis, which reduces the time dependence of the errors in determining the horizontal projections of linear velocity and coordinates by one degree. 2. It has been established for the first time that in a strapdown inertial navigation system, when applying the auto-compensation method: an increase in the modulation rotation speed of accelerometers additionally leads to a proportional decrease in the errors of determining the horizontal linear velocities and coordinates of the moving vehicle, which, accordingly, increases the efficiency of the method's application; there is no reduction in the impact of multiplicative and random errors of horizontal accelerometers on the aforementioned instrumental errors of the SINS. 3. The impact of real technological errors in the implementation of a SINS using the auto-compensation method—such as additive accelerometer errors, platform rotation angle measurement errors, errors in mounting accelerometers on the platform, and errors resulting from the deviation of the real rotation axis from the vertical instrument axis of the SINS—on the aforementioned instrumental errors has been determined. Ways to eliminate/reduce this impact to an acceptable level are demonstrated.. Practical value of the work 1. Analytical formulas have been obtained that allow, during the design of an autonomous SINS using the auto-compensation method: to evaluate the navigation errors of the SINS given known values of additive accelerometer errors and their modulation rotation frequency (analysis problem); to derive requirements for the specified accuracy of the accelerometers and the parameters of the platform's rotational motion based on the existing requirements for the navigation errors of the SINS (synthesis problem). 2. Engineering formulas have been obtained that allow specifying requirements for the technological errors in the implementation of the SINS. 3. Based on the results of the research conducted, a three-axis block of navigation accelerometers developed by the state-owned enterprise SPB "Arsenal" was refined through the use of a rotating platform equipped with two horizontal accelerometers, and tested as part of a platform-free inertial navigation system prototype using the developed auto-compensation method, confirmed the high effectiveness of the method. The effectiveness was confirmed at the company’s laboratory facilities with the permission of the company’s administration and the possibility of using the research results obtained by the graduate student during the practical part of the research for inclusion in the text of the dissertation, as evidenced by a letter from the acting director of the company, Yur Y. Y. dated February 9, 2026 (No. 225/70 12/1) addressed to the Director of the IAT Research Institute, I. V. Korobka. Additionally, based on the results of the dissertation research, a Report on the Use of the Research Results of the Dissertation at the State Enterprise SPB “Arsenal” was drawn up (Appendix D)
dc.format.extent157 с.
dc.identifier.citationЛесюк, М. П. Автокомпенсація інструментальних похибок акселерометрів автономної інерціальної навігаційної системи крейсерського рухомого об’єкту : дис. … д-ра філософії : 173 Авіоніка / Лесюк Маркіян Павлович. - Київ, 2026. - 157 с.
dc.identifier.urihttps://ela.kpi.ua/handle/123456789/81970
dc.language.isouk
dc.publisherКПІ ім. Ігоря Сікорського
dc.publisher.placeКиїв
dc.subjectбезплатформна інерціальна навігаційна система
dc.subjectматематична модель
dc.subjectакселерометр
dc.subjectгіроскоп
dc.subjectлітальний апарат
dc.subjectалгоритм навігації
dc.subjectпохибки вимірювання
dc.subjectпідвищення точності
dc.subjectметод корекції
dc.subjectавтокомпенсація
dc.subjectчутливий елемент
dc.subjectобертальний рух
dc.subjectрухомий об’єкт
dc.subjectінструментальні похибки
dc.subjectалгоритмічні методи
dc.subjectstrapdown inertial navigation system
dc.subjectmathematical model
dc.subjectaccelerometer
dc.subjectgyroscope
dc.subjectaircraft
dc.subjectnavigation algorithm
dc.subjectmeasurement errors
dc.subjectaccuracy improvement
dc.subjectcorrection method
dc.subjectauto-compensation
dc.subjectsensitive element
dc.subjectrotational motion
dc.subjectmoving object
dc.subjectinstrumental errors
dc.subjectalgorithmic methods
dc.subject.udc531.768
dc.titleАвтокомпенсація інструментальних похибок акселерометрів автономної інерціальної навігаційної системи крейсерського рухомого об’єкту
dc.title.alternativeAuto-compensation of instrumental errors of accelerometers in an autonomous inertial navigation system of a cruising vehicle
dc.typeThesis Doctoral

Файли

Контейнер файлів
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз
Назва:
Lesiuk_dys.pdf
Розмір:
3.66 MB
Формат:
Adobe Portable Document Format
Завантажити
Ліцензійна угода
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
Назва:
license.txt
Розмір:
8.98 KB
Формат:
Item-specific license agreed upon to submission
Опис:
Завантажити

Зібрання

Дисертації (СКЛА)
Дисертації (вільний доступ)