Решение задач высокоточного навигационного обеспечения беспилотных авиационных систем и организации их группового применения

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 25-19-20070

НазваниеРешение задач высокоточного навигационного обеспечения беспилотных авиационных систем и организации их группового применения

Руководитель Дмитриев Дмитрий Дмитриевич, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский федеральный университет" , Красноярский край

Конкурс №101 - Конкурс 2025 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами» (региональный конкурс)

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-606 - Навигация, наведение и управление подвижными объектами

Ключевые слова Спутниковая радионавигация, ГЛОНАСС, беспилотные воздушные суда, организация группового применения беспилотных воздушных средств, относительные навигационные измерения, локальная навигация, помехоустойчивость, восстановление пропущенных данных

Код ГРНТИ47.49.31

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Ожидаемые результаты
В ходе выполнения проекта будут получены, опубликованы и защищены патентами России оригинальные теоретические и практические результаты, обладающие несомненной научной новизной и практической направленностью. Планируется разработка принципиально новых методов и подходов, соответствующих передовым мировым разработкам в данной области исследований – методов измерения взаимных координат ГНСС-приемниками при групповом применении БАС в сочетании с мерами, повышающими надежность, точность и помехоустойчивость навигационных определений. Они позволят обеспечить высокую точность измерения координат объектов друг относительно друга без применения информации о дифференциальных поправках от внешних контрольно-корректирующих станций и данных о величине внешних по отношению к ГНСС-приемникам погрешностей. В рамках решения этой задачи планируется реализация комплексного подхода, подразумевающего разработку и исследование следующих методов и алгоритмов: - методы измерения взаимных координат БАС в составе группы, позволяющие скомпенсировать внешние по отношению к ГНСС-приемнику погрешности и основанные на автономных кодовых, относительных кодовых, относительных фазовых измерениях в ГНСС-приемниках. Кроме того, предлагается новый метод измерения взаимных координат, минимизирующий требования к вычислительным ресурсам и каналам связи, основанный на использовании ГНСС-приемниками при решении навигационной задачи и расчете взаимных координат единого созвездия навигационных космических аппаратов; - методы организации взаимной навигации внутри группы БАС, позволяющие как оптимизировать взаимодействие членов группы по целевому назначению, вычислительным возможностям, организации каналов связи и т.п., так и поддерживать требуемые точностные характеристики взаимных координат за счет комбинирования измерений между различными БАС в группе; - методы восстановления данных при пропусках радионавигационных сигналов, позволяющие улучшить выборку наблюдений и основанные на заполнении пропусков данных сгенерированными значениями; - пространственные и временные методы подавления помех в ГНСС-приемниках, модифицированные в части повышения вычислительной эффективности и улучшения точности измерения навигационных параметров. Кроме того, к новым результатам можно отнести: - компьютерную модель навигационной системы БАС, предназначенную для имитации работы системы навигации в соответствии с разработанными методами и проведения их экспериментальных исследований; - программно-аппаратный комплекс исследования методов высокоточной взаимной навигации БАС и организации их группового применения, предназначенный для проведения натурных испытаний. Научная значимость ожидаемых результатов состоит в совершенствовании системы методов спутниковой радионавигации в направлении улучшения точности и надежности навигационного обеспечения БАС и организации их группового применения, в том числе в условиях разрывного радионавигационного поля и воздействия помех. Решение поставленной научной проблемы позволит обогатить теорию спутниковой радионавигации в области реализации и применения дифференциальных и относительных режимов измерения координат, методов повышения помехоустойчивости, а также приема, обработки и измерения параметров радионавигационных сигналов. Кроме того, разработка и программная реализация алгоритмов решения навигационных и сервисных задач обеспечивает развитие такого направления, как компьютерные технологии и программы в сфере информационно-коммуникационных и навигационных систем. Планируемые результаты, кроме того, имеют существенную практическую значимость. Они позволят добиться существенного улучшения потребительских характеристик БАС и их бортовых навигационных средств, а также пересмотреть тактику их группового применения – осуществлять мониторинг и картографирование больших территорий, выполнять поиск и локализацию объектов, распределять цели и задачи между членами группы, осуществлять дозаправку в воздухе и т.п.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Проект направлен на улучшение точности и надежности методов и средств спутниковой радионавигации при решении задач навигационного обеспечения беспилотных авиационных систем (БАС) и организации их группового применения. В ходе выполнения работ первого этапа был разработан комплекс методов высокоточной взаимной навигации БАС и организации их группового применения. В частности, рассмотрены два случая относительных режимов работы ГНСС-приемников, основанные на кодовых и фазовых измерениях. Для относительных кодовых измерений предложен двухэтапный метод определения относительных координат, в котором на первом этапе производится определение автономных координат, на втором – производится вычисление относительных координат. Показано, что погрешность измерения относительных координат в кодовом режиме соответствует погрешности дифференциального режима, т.е. 0.5…1.5 м. Для относительных фазовых измерений разработаны переборный и динамический методы разрешения фазовой неоднозначности. Показано, что для надежной работы переборного одномоментного метода разрешения фазовой неоднозначности при относительных измерениях необходимо уменьшить погрешность измерения разности фазовых псевдодальностей между ГНСС-приемниками до величины 5–10 град. и обеспечить точность измерения кодовой псевдодальности 1…1.5 м. Разработан метод определения взаимных координат, заключающийся в использовании ГНСС-приемниками при решении навигационной задачи и расчете взаимных координат единого созвездия НКА. Этот метод не усложняет алгоритмы решения навигационной задачи и не предъявляет жестких требований к каналу передачи данных. Результаты моделирования показали, что СКО измерения взаимных координат ГНСС-приемников уменьшается практически в два раза, устраняются скачкообразные их изменения, вызываемые различием созвездий НКА. Разработаны методы организации взаимной навигации БАС внутри группы. В целях существенного улучшения точности и помехоустойчивости навигационных средств предложено применение дальномерно-угломерной локальной навигационной системы. Для измерения расстояний между БАС в группе разработано два метода – метод симметричного двустороннего двунаправленного измерения расстояний и метод ретрансляции радионавигационного сигнала. Метод симметричного двустороннего двунаправленного измерения расстояния основан на измерении времени распространения радиосигнала между двумя БАС в результате симметричной двусторонней передачи радиосигнала. Метод ретрансляции радионавигационного сигнала позволяет определять расстояния между отдельными БАС и БАС-лидером и отличается простотой реализации. В этом методе БАС-лидер формирует и излучает радионавигационный сигнал, а ретрансляторы, размещенные на других БАС, принимают данный сигнал, переносят в полосу частот, выделенную для каждого БАС, и излучают в направлении БАС-лидера. Для определения направлений между БАС разработано два метода – двухэтапный метод пеленгования и метод сверхразрешения в малоэлементных антенных решетках. При помощи двухэтапного метода производятся измерения угловых координат в начале фазовым методом, затем – суммарно-разностным, что позволяет увеличить крутизну пеленгационной характеристики. Для улучшения его точности предложено дополнить антенную решетку виртуальными элементами, положение которых уточняется по результатам минимизации разностного сигнала в ходе суммарно-разностной обработки сигнала. При использовании малоэлементных антенных решеток для измерения угловых координат разработаны и исследованы методы сверхразрешения, основанные на рекуррентных алгоритмах и алгоритме MUSIC. Разработан метод комплексной обработки навигационной информации от всех источников, позволяющий улучшить точность определения координат БАС в составе группы. Комплексная обработка реализуется с помощью сигма-точечного фильтра Калмана, осуществляющего оптимальную фильтрацию навигационных параметров, измеренных как автономно, так и другими участниками группы на основе применения ГНСС-приёмников и дальномерно-угломерной локальной навигационной системы. Проведена оценка эффективности методов организации взаимной навигации БАС. Показано, что при увеличении количества БАС в группе при реализации принципа «каждый с каждым» и попарного измерения взаимных координат нагрузка на канал связи возрастает экспоненциально. Учитывая возможности существующих бортовых систем передачи данных, организация группы более чем из 5 БАС нецелесообразна. Разработан метод восстановления значений псевдодальности, псевдоскорости и псевдофазы при пропусках радионавигационных сигналов, основанный на синтезированном алгоритме непараметрической оценки функции регрессии и направленном на восстановление выборки наблюдений. Результаты моделирования показали, что различие меду реальными и восстановленными значениями псевдодальностей не превышает одного процента, что позволяет их использовать для решения навигационной задачи. Синтезирован алгоритм оптимальной пространственно-временной обработки навигационных сигналов на фоне помех, который объединяет пространственную и временную обработку в единую адаптивную систему. Разработаны основные подходы к повышению вычислительной эффективности адаптивных алгоритмов пространственно-временной обработки в радионавигационных системах, основанные на применении QR-разложения матриц. Разработаны методы коррекции амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик приемных каналов ГНСС-приемника, выравнивания межканальных временных задержек сигналов в трактах приема и их коррекции. Методы основаны на применении специальной пилот-помехи или выравнивающего КИХ-фильтра. Показано, что применение разработанных методов позволяет уменьшить погрешность измерения радионавигационных параметров в ГНСС-приемника с ФАР за счет коррекции характеристик приемных каналов. Разработаны основные библиотеки для компьютерной модели навигационной системы БАС, в том числе модель навигационных сигналов и помех; абсолютного и относительного перемещения БАС; составных частей ГНСС-приемника. Разработанный комплекс модулей навигационных сигналов позволяет формировать сигналы всех ГНСС с открытыми кодами всех частотных диапазонов. Модуль формирования помех ГНСС-приемнику позволяет формировать помеховые сигналы с фазовой модуляцией. Модель абсолютного и относительного перемещения БАС разработана для планирования и анализа полетов трех независимых БАС с ГНСС-приемниками на борту. Модель составных частей ГНСС-приемника состоит из модуля решения навигационной задачи, модуля учета погрешности измерения навигационных параметров и геометрического фактора в навигационном приемнике, модуля моделирования ФАР и блока цифровой обработки информации.

Публикации

1. Ратушняк В.Н., Дмитриев Д.Д., Гладышев А.Б., Кликно Д.Д., Жгун А.В. Двухэтапный метод пеленгования в малоэлементных антенных решетках Антенны и распространение радиоволн: сб. докладов VI Всероссийской научно-технической конференции, Санкт-Петербург, 01–03 октября 2025 года, Антенны и распространение радиоволн: сб. докладов VI Всероссийской научно-технической конференции, Санкт-Петербург, 01–03 октября 2025 года. – СПб: СПбГЭТУ «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина), 2025. – С. 110-113 (год публикации - 2025)

2. Дмитриев Д.Д., Михов Е.Д., Гладышев А.Б., Ратушняк В.Н., Лыхо А.В., Караванов А.В. Навигационное обеспечение беспилотных летательных аппаратов для организации их группового применения Журнал Сибирского федерального университета. Техника и технологии, Т. 18 (4). С. 498–508. (год публикации - 2025)

3. Гладышев А.Б., Дмитриев Д.Д., Ратушняк В.Н., Жгун А.В., Голубятников М.А. Определение взаимного местоположения беспилотных воздушных судов, действующих в составе группы Журнал Сибирского федерального университета. Техника и технологии, Т. 18 (5). С. 649–659 (год публикации - 2025)

4. Ратушняк В.Н., Дмитриев Д.Д., Тяпкин И.В., Гладышев А.Б. Синтез алгоритма сверхразрешения в малоэлементной антенной решетке Журнал радиоэлектроники, № 9 (год публикации - 2025)
10.30898/1684-1719.2025.9.7

5. Михов Е.Д., Караванов А.В. Управление системами, включающими в себя объекты управления и параметрические регуляторы Космические аппараты и технологии, Т. 9, № 1(51). – С. 14-22. (год публикации - 2025)
10.26732/j.st.2025.1.02

6. Лыхо А.В., Тяпкин И.В, Навигационное обеспечение группового применения беспилотных авиационных систем Сборник избранных статей научной сессии ТУСУР, № 1-1. – С. 64-67 (год публикации - 2025)

7. Дмитриев Д.Д., Михов Е.Д., Лыхо А.В., Гладышев А.Б., Ратушняк В.Н., Караванов А.В. Method for Measuring Mutual Coordinates of Drones in a Swarm Proceedings of the 2025 International Conference on Information, Control, and Communication Technologies, pp. 1-4 (год публикации - 2025)
10.1109/ICCT67028.2025.11427690

8. Караванов А.В., Михов Е.Д. Применение непараметрической оценки функции регрессии для увеличения точности решения навигационной задачи Сибирский аэрокосмический журнал, Т. 26, № 2. С. 171–180 (год публикации - 2025)
10.31772/2712-8970-2025-26-2-171-180

9. Дмитриев Д.Д., Гладышев А.Б., Ратушняк В.Н., Михов Е.Д. Use of a Group of Unmanned Aerial Vehicles to Detect Radio-Emitting Devices Журнал Сибирского федерального университета. Техника и технологии, Vol. 18, № 7, P. 931–939 (год публикации - 2025)

10. Караванов А.В., Лыхо А.В. Принципы формирования группы беспилотных летательных аппаратов для их совместных действий Проспект Свободный – 2025 : Материалы XXI Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, Красноярск, 21–26 апреля 2025 года. – Красноярск: Сибирский федеральный университет, С. 683-686 (год публикации - 2025)

11. Ратушняк В.Н., Мекаев А.М., Лыхо А.В., Чиханов Д.Ю., Феоктистов М.П. Компьютерная модель амплитудно-фазового распределения цифровой антенной решетки и диаграммообразующей схемы Официальный бюллетень «Программы для ЭВМ. Базы данных. Топологии интегральных микросхем», RU 2025665726 (год публикации - 2025)

12. Ратушняк В.Н., Тяпкин И.В., Дмитриев Д.Д., Гладышев А.Б., Мекаев А.М. Компьютерная модель алгоритма сверхразрешения цифровой антенной решетки и пеленгации источников излучения Официальный бюллетень «Программы для ЭВМ. Базы данных. Топологии интегральных микросхем», RU 2025663727 (год публикации - 2025)

13. Ратушняк В.Н., Дмитриев Д.Д., Тяпкин И.В., Гладышев А.Б., Тяпкин В.Н. Research on Recurrent Super-Resolution Algorithm in Small-Element Antenna Array Proceedings of the 2025 International Conference on Information, Control, and Communication Technologies, pp. 1-4 (год публикации - 2025)
10.1109/ICCT67028.2025.11427479