ПРОГРАММА

вступительного экзамена в аспирантуру

ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор»

по специальности

05.11.03

«Приборы навигации»

Санкт-Петербург

2

1. Физико-теоретические основы элементов и систем управления

движением и навигации

Задачи навигации и управления движением подвижных объектов. Навигационные и

динамические параметры. Навигационные измерения. Навигационные системы. Системы координат, используемые в навигации. Форма и размеры Земли. Геоид, эллипсоиды вращения. Гравитационное поле Земли. Аномалии гравитационного поля. Нормальный потенциал поля силы тяжести. Уровенные эллипсоиды: общеземные ЕСК-90,WGS-84 и референц-эллипсоиды. Магнитное поле Земли. Структура поля. Нормальное и аномальное поля. Картографические проекции и морские карты. Астрономические соотношения (небесная сфера и измерение времени).

Навигационные системы координат. Линии и поверхности положения Направления на земной поверхности. Линии пути: локсодромия и ортодромия. Навигационные параметры - кинематические параметры поступательного движения объекта. Параметры ориентации - кинематические параметры вращательного движения объектов, движущихся вблизи поверхности Земли. Параметры движения орбитальных космических аппаратов.

Уравнения метода счисления пути. Определение геоцентрических, ортодромических и географических координат места. Построение навигационных систем счисления пути (НССП) в авиации и морском флоте. Современные гирокомпасы и лаги. Модели погрешностей НССП и их анализ.

Основное уравнение инерциальной навигации. Принцип интегральной коррекции.

Алгоритмы идеальной работы автономных инерциальных навигационных систем (ИНС).

Классификация типов ИНС. Определение параметров угловой ориентации (углов ЭйлераКрылова, направляющих косинусов, параметров Родрига-Гамельтона и др.) и навигационных параметров. Построение бесплатформенных (бескарданных) ИНС.

Общая характеристика методов обсерваций. Первичные навигационные измерения в австронавигационных, радионавигационных наземного базирования и спутниковых навигационных системах (СНС). История создания и основные параметры СНС первого и второго поколений. Уравнения связи первичных навигационных измерений и искомых координат места подвижного объекта. Методы решения обсервационной задачи. Метод навигации по геофизическим полям.

2. Прикладная теория гироскопов Дифференциальные уравнения движения трехстепенного гироскопа. Их решение и анализ. Дифференциальные уравнения движения гироскопа, установленного на Земле. Их решение. Видимое движение оси гироскопа. Принцип действия гиротахометра.

Дифференциальное уравнение движения гиротахометра. Его динамические характеристики. Методические и инструментальные погрешности гиротахометра.

Принцип действия интегрирующего гироскопа. Динамические характеристики ПИГа.

Методические и инструментальные погрешности ПИГа.

Трехстепенной роторный вибрационный гироскоп: принципиальная схема, уравнения движения. Их анализ. Измерение угловых скоростей трехстепенным роторным вибрационным гироскопом. Условие динамической настройки. Погрешности динамически настраиваемых гироскопов.

Принципиальная схема одноосного гиростабилизатора и ее работа.

Дифференциальные уравнения одноосного гиростабилизатора. Структурная схема одноосного гиростабилизатора. Погрешности гиростабилизатора на качке.

Кинематическая погрешность одноосного гиростабилизатора. Условие устойчивости гиростабилизатора.

Принцип действия кольцевого оптического квантового генератора. Принципиальная схема лазерного гироскопа. Его выходные характеристики. Принципиальная схема волоконно-оптического гироскопа (ВОГ). Его работа. Выходные характеристики ВОГ.

Чувствительность ВОГ.

Принципиальная схема акселерометра компенсационного типа. Ее работа.

Методические и инструментальные погрешности акселерометров. Принципиальная схема струнного акселерометра. Особенности ее работы.

Состояние и перспективы развития микротехнологий для навигации и управления движением. Материалы и технологии при изготовлении микромеханических ЧЭ. Системы автоматизированного проектирования микромеханических ЧЭ. Упругие и бесконтактные подвесы микромеханических ЧЭ. Индикаторные устройства микромеханических ЧЭ.

Силовые устройства микромеханических ЧЭ. Классификация ММА. Одноосные и многоосные измерители. Основные погрешности ММА. Классификация ММГ. Одноосные и многоосные измерители. Основные погрешности ММГ.

3. Принципы построения приборов и систем ориентации, стабилизации и навигации Кинематические и динамические уравнения вращательного движения твердого тела.

Классификация гироскопических систем ориентации. Принципиальная схема гироазимута. Дифференциальные уравнения движения гироазимута. Их анализ. Типы построителей вертикали. Построение вертикали с помощью гиромаятника.

Принципиальная схема гировертикали с пропорциональной коррекцией.

Дифференциальные уравнения движения гировертикали. Их анализ.

Принцип действия гирокомпаса. Дифференциальные уравнения движения маятникового гирокомпаса и гирокомпаса с косвенным управлением. Анализ уравнений движения гирокомпаса. Метод определения азимута наземным гирокомпасом.

Схемы построения, элементная база, алгоритмы функционирования и модели погрешностей современных гироинклинометров.

Методы синтеза гироскопических систем. Уравнение оптимального преобразования.

Определение передаточной функции системы методом Винера. Оптимальная фильтрация на конечном интервале времени. Параметрический синтез гироскопических систем с заданной структурой. Оптимизация передаточной функции корректирующего устройства.

Методы автокомпенсации инструментальных погрешностей гироскопических систем. Метод принудительного движения опор. Метод принудительного вращения карданового подвеса гироскопа. Метод реверсирования вектора кинетического момента гироскопа.

Обеспечение надежности гироскопических систем при проектировании. Методы повышения надежности приборов и систем. Обработка избыточной информации при резервировании приборов и устройств. Мажоритарное резервирование гироскопических систем.

Классификация ИНС. Современный мировой уровень развития ИНС. Примеры построения современных зарубежных и отечественных платформенных и бескарданных систем. Современный уровень развития отечественной элементной базы БИНС. Структура построения и приборный состав измерительных модулей (блоков) и навигационных вычислителей современных БИНС.

Алгоритмы идеальной работы ИНС. Алгоритмы решения задачи ориентации в платформенных ИНС и в БИНС на ДУС типа ВОГ. Алгоритм решения задачи ориентации в БИНС на позиционных гироскопах типа ЭСГ. Алгоритмы решения задач преобразования сигналов акселерометров на навигационные оси в БИНС и их интегрирования. Особенности реализации дискретных алгоритмов в БИНС.

Модели погрешностей ИНС и их анализ. Модели погрешностей платформенных ИНС и БИНС в выработке параметров ориентации и навигационных параметров подвижного объекта. Модели погрешностей и анализ устойчивости контура вертикали и инерциального контура ИНС. Собственные частоты модели погрешностей ИНС. Модели погрешностей современных акселерометров, ДУС типа ВОГ и бескарданных измерительных модулей на их основе. Погрешности инерциального контура БИНС.

Приближенные аналитические решения. Погрешности контура вертикали БИНС.

Приближенные аналитические решения. Погрешности БИНС в выработке параметров ориентации и навигационных параметров объекта.

Особенности алгоритмов работы и модели погрешностей БИСО на ЭСГ и БИНС на ВОГ для условий движения орбитального космического аппарата.

Изучение дискретных алгоритмов и модели погрешностей БИНС методом имитационного моделирования алгоритмов их работы на PC с использованием пакета Matlab (Simulink): задание формы, размеров и параметров нормальной Земли, нормального гравитационного поля, параметров поступательного и углового движения объекта, моделей дрейфов ИБ БИИМ, включая и румбовые дрейфы, погрешностей акселерометров, неортогональностей измерительных осей ЧЭ и аномалий гравитационного поля Земли; формирование измерений (с имитацией данных лага) и соответствующих сигналов управления для демпфирования собственных колебаний погрешностей БИНС.

Особенности камеральной обработки данных стендовых и объектовых испытаний ИБ БИИМ на PC с использованием пакетов Matlab (Simulink) по дискретным алгоритмам работы БИНС.

5. Радиотехнические и спутниковые навигационные системы Общая модель радиотехнической системы. Условия распространения радиоволн.

Общие требования к сигналам РТС. Виды сложных сигналов.

Основные понятия и определения. Радиотехнические методы измерения координат и их производных. Угломерный метод. Дальномерный метод. Разностно-дальномерный метод. Комбинированный угломерно-дальномерный метод. Классификация РЛС и РНС.

Их тактические и технические характеристики. Дальность действия радиосистем.

Основное и обобщенное уравнение дальности.

Погрешность измерения радионавигационного параметра. Погрешность определения линий положения. Погрешность определения координат объекта позиционным методом.

Доплеровский метод измерения путевой скорости и угла сноса. Построение доплеровских измерителей вектора скорости. Корреляционный метод измерения путевой скорости и угла сноса.

Структурная схема СРНС. Классификация СРНС. Общая характеристика элементов СРНС. Согласование начал отсчета координат в СРНС. Типовые структуры совмещенных сигналов пассивных СРНС. Сигналы систем GPS и ГЛОНАСС.

Навигационные параметры. Навигационные функции. Конечные и итерационные методы навигационных определений.

Принципы построения аппаратуры потребителей. Обобщенная схема аппаратуры потребителя СРНС. Динамические свойства измеряемых радионавигационных параметров. Необходимость поиска радионавигационного сигнала. Время поиска сигнала.

Кадр навигационного сигнала.

Алгоритмы решения навигационных задач по выборке одновременных измерений.

Показатели точности навигационных определений. Точность определения координат по одному НИСЗ. Точность определения координат по созвездию НИСЗ. Точность оценки скорости движения.

Случайные векторы и процессы, методы их описания. Примеры и общая постановка задач оценивания постоянных параметров, решаемых при обработке навигационной информации. Алгоритмы оценивания на основе минимизации наблюдаемых критериев.

Метод наименьших квадратов. Оптимальные в среднеквадратическом смысле линейные алгоритмы оценивания. Задача комплексной обработки данных от двух измерителей и пути ее решения. Типовые случайные процессы, используемые в задачах обработки навигационной информации: квазидетерминированные (псевдослучайные) процессы, винеровский и экспоненциально-коррелированный процесс. Постановка и решение задачи фильтрации случайных последовательностей. Дискретный фильтр Калмана. Постановка и решение задачи фильтрации случайных процессов. Фильтр Калмана для непрерывного времени.

7. Интегрированные системы ориентации и навигации Современные корабельные и авиационные ИСОН. Назначение и решаемые задачи.

Структура построения. Требования к точностным и эксплуатационным характеристикам чувствительных элементов БИИМ. Режимы работы ИСОН и используемые в них методы комплексной обработки информации. Примеры построения зарубежных и отечественных современных ИСОН, их элементная база и основные точностные и эксплуатационные характеристики.

Задача фильтрации при интеграции данных БИИМ, GPS и лага с использованием алгоритма фильтра Калмана (ФК). Линеаризация измерений в ИСОН с высоким уровнем интеграции (при формировании измерений на уровне первичных навигационных параметров). Формирование режимов работы ИСОН (начальной выставки и калибровки, обсервационный, автономный с лагом, режим взаимодействия с корабельными потребителями информации). Расчетная модель погрешностей системы. Приближенные аналитические решения для погрешностей аналогов вертикали и ИСК, погрешностей в выработке навигационных параметров.

ИСОН на основе БИИМ с ИБ на ВОГ, стандартной или мультиантенной ПА GPS/ГЛОНАСС. Современное состояние, основные проблемы. Модели дрейфов гироскопов и погрешностей акселерометров ИБ БИИМ. Наблюдаемость составляющих модели дрейфов гироскопов и погрешностей акселерометров ИБ БИИМ в различных режимах работы ИСОН. Калибровка ИБ БИИМ в условиях стенда, использование модуляционного вращения или реверсных поворотов ИБ. Особенности калибровки румбовых дрейфов ИБ БИИМ в процессе эксплуатации, возможные пути решения задачи.

Особенности построения, алгоритмы функционирования и модели погрешностей ИСОН с ИБ на ЭСГ (или на ВОГ), астровизирующим устройством и ПА СНС для орбитальных космических аппаратов.

Изучение дискретных алгоритмов и погрешностей ИСОН методом имитационного моделирования алгоритмов их работы на PC с использованием пакета Matlab (Simulink).

Особенности камеральной обработки данных стендовых и объектовых испытаний ИБ БИИМ и ПА СНС на PC с использованием пакетов Matlab (Simulink) по дискретным алгоритмам работы ИСОН.

Анучин О.Н., Емельянцев Г.И. (под общей ред. акад. РАН В.Г.Пешехонова).

Интегрированные системы ориентации и навигации для морских подвижных объектов. СПб., 2003. -389 с.

Андреев В.Д. Теория инерциальной навигации. Кн.I. Автономные системы. Кн. II.

Корректируемые системы. - М.: Наука, 1966, 1967.

Бранец В.Н., Шмыглевский И.П. Введение в теорию бесплатформенных инерциальных навигационных систем.- М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат.лит., 1992. -280 с.

Бромберг П.В. Теория инерциальных систем навигации.- М.: Наука, 1979.

Гироскопические системы. Гироскопические приборы и системы. Учеб. для вузов./ Под ред. Д.С. Пельпора. - М.: Высш. шк., 1988. – 424 с.

Глобальная спутниковая радионавигационная система ГЛОНАСС./Под ред. В.Н.

Харисова, А.И. Перова, В.А. Болдина. - М.:ИПРЖР, 1998.

Дмитриев С.П. Высокоточная морская навигация. - СПб.: Судостроение, 1991.

Емельянцев Г.И. Курсы лекций по основам навигации, БИНС и ИСОН (электронные версии лекций – в эл.сети ЦНИИ «Электроприбор»).

Ишлинский А.Ю. Ориентация, гироскопы и инерциальная навигация. -М.: Наука, 1976.

Каракашев В.А. Автономные инерциальные навигационные системы. Учебное пособие. - Л.: ЛИТМО, 1983. - 89с.

Лесков М.М., Баранов Ю.К., Гаврюк М.И. Навигация. - М. «Транспорт», 1980.

Лукомский Ю.А., Пешехонов В.Г., Скороходов Д.А. Навигация и управление движением судов. - СПб.: Элмор, 2002.- 359 с.

Лукьянов Д.П., Мочалов А.В., Одинцов А.А., Вайсгант И.Б. Инерциальные навигационные системы морских объектов.- Л.: Судостроение, 1989. – 184 с.

Лурье А.И. Аналитическая механика.- М.: Изд-во физ.-мат.лит., 1961.

Медич Д. Статистически оптимальные линейные оценки и управление.- М.:

Энергия, 1973.

Пельпор Д.С. Гироскопические системы. Теория гироскопов и гироскопических стабилизаторов. Учеб. для вузов. - М.: Высш. шк., 1986. – 423 с.

Распопов В.Я. Микромеханические приборы: Учебное пособие. – Тула: ТулГУ, 2002.

– 392с.

Ривкин С.С. Статистический синтез гироскопических устройств. - Л.: Судостроение, 1970. – 424 с.

Северов Л.А. Курс лекций по микромеханическим гироскопам и акселерометрам (электронная версия лекций – в эл.сети ЦНИИ «Электроприбор»).

Степанов О.А. Курс лекций по обработке навигационной информации (электронная версия лекций – в эл.сети ЦНИИ «Электроприбор»).

Степанов О.А. Применение теории нелинейной фильтрации в задачах обработки навигационной информации. – СПб.: ГНЦ РФ- ЦНИИ «Электроприбор», 1998. -370 с.

Филатов Ю.В. Курс лекций по лазерным и волоконно-оптическим гироскопам (электронная версия лекций – в эл.сети ЦНИИ «Электроприбор»).

Шимбирев Б.П. Теория фигуры Земли. М., Недра, 1975.

Евстифеев М.И. Состояние разработок и перспективы развития микромеханических гироскопов. / Навигация и управление движением. Сборник докладов II научнотехнической конференции молодых ученых., С-Петербург, 2000, С.54-71.

Зельдович С.М., Малтинский М.И., Окон И.М., Остромухов Я.Г. Автокомпенсация инструментальных погрешностей гиросистем.- Л.: Судостроение, 1976. -255 с.

Помыкаев И.И., Селезнев В.П., Дмитроченко Л.А. Навигационные приборы и системы. - М., «Машиностроение»,1969.

Ривкин С.С., Ивановский Р.И., Костров А.В. Статистическая оптимизация навигационных систем. -Л.: Судостроение, 1976.

Челпанов И.Б., Несенюк Л.П., Брагинский М.В. Расчет характеристик навигационных гироприборов.- Л.: Судостроение, 1978.

Шебшаевич В.С. и др. Сетевые спутниковые радионавигационные системы. -М.:

Радио и связь, 1993. - 414 с.

Гультяев А.К. MATLAB 5.3(6.5). Имитационное моделирование в среде Windows.

СПб. «Корона принт». 2001 (2003), 400 с.

Дьяконов В. MATLAB: учебный курс. СПб. «Питер», 2001.- 560 с.

Председатель НМК