Promising Map-Aided Aircraft Navigation Systems, Giroskopiya i Navigatsiya
https://doi.org/10.17285/0869-7035.0055
Abstract
The paper analyses the development prospects for aircraft navigation systems using onboard geophysical field measurements. Prospective systems that are not widely applied yet are considered: magnetic gradiometers measuring the stationary magnetic field gradient, gravity gradiometers measuring the gravity field gradient, and electromagnetic systems measuring the alternating part of magnetic field. We discuss the main problems to be solved during airborne measurements of these parameters and give an overview of algorithms and hardware solutions. We analyse the results of onboard measurements and estimate the possible navigation accuracy.
About the Authors
E. V. KarshakovRussian Federation
Karshakov, E.V.
B. V. Pavlov
Russian Federation
Pavlov, B.V.
M. Yu. Tkhorenko
Russian Federation
Tkhorenko, M. Yu.
I. A. Papusha
Russian Federation
Papusha, I.A.
References
1. Gaspar, J., Ferreira, R., Sebastião, P., Souto, N., Capture of UAVs through GPS spoofing, Proceedings of the 6th Global Wireless Summit 2018 (GWS-2018), 2018, pp. 21–26.
2. Емельянцев Г.И., Степанов А.П. Интегрированные инерциально-спутниковые системы ориентации и навигации. СПб: АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2016. 394 c.
3. Groves, P.D., Principles of GNSS, Inertial, and Multisensor Integrated Navigation Systems, 2nd ed. Artech House, Boston and London, 2013. 800 p.
4. Аль Битар Н., Гаврилов А.И., Халаф В. Методы на основе искусственного интеллекта для повышения точности интегрированной навигационной системы при отсутствии сигнала ГНСС. Аналитический обзор // Гироскопия и навигация. 2019. Т. 27. № 4(107). C. 3–28.
5. Аль Битар Н., Гаврилов А.И. Сравнительный анализ алгоритмов комплексирования в слабосвязанной инерциально-спутниковой системе на основе обработки реальных данных // Гироскопия и навигация. 2019. Т. 27. № 3(106). С. 31–52.
6. Калаф В., Чоуэйб И., Вайнах М. Новый адаптивный ансцентный фильтр Калмана для сильносвязанной инерциально-спутниковой навигационной системы // Гироскопия и навигация. 2017. Т. 25. № 2(97). С. 35–51.
7. Джанджгава Г.И., Августов Л.И. Навигация по геополям. Научно-методические материалы. М: Научтехлит, 2018. 296 с.
8. Белоглазов И.Н., Джанджгава Г.И., Чигин Г.П. Основы навигации по геофизическим полям. М.: Наука, 1985. 328 с.
9. Красовский А.А., Белоглазов И.Н., Чигин Г.П. Теория корреляционно-экстремальных навигационных систем. М.: Наука, 1979. 447 с.
10. Bergman, N., Recursive Bayesian estimation: Navigation and tracking applications, Sweden: Linkoping University, 1999. 204 p.
11. Vaman, D., TRN history, trends and the unused potential, 31st Digital Avionics Systems Conference (DASC), IEEE, 2012, pp. 1A3-1–1A3-16.
12. Степанов О.А. Применение теории нелинейной фильтрации в задачах обработки навигационной информации. СПб: ЦНИИ «Электроприбор», 2003. 370 с.
13. Каршаков Е.В., Тхоренко М.Ю., Павлов Б.В. Аэромагнитная градиентометрия и ее применение в навигации // Проблемы управления. 2016. № 2. С. 72–80.
14. Сазонова Т.В., Шелагурова М.С. Геоинформация в комплексах бортового оборудования летательных аппаратов. М: Научтехлит, 2018. 148 с.
15. Canciani, A., Raquet, J., Airborne magnetic anomaly navigation, IEEE Transactions on aerospace and electronic systems, 2017, vol. 53, issue 1, pp. 67–80.
16. Вязьмин В.С., Голован А.А., Папуша И.А., Попеленский М.Ю. Информативность измерений векторного магнитометра и глобальных моделей магнитного поля Земли для коррекции БИНС летательного аппарата // XXIII Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам, сборник материалов, СПб: АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2016. С. 340–344.
17. Бабаянц П.С. Аэрогеофизические технологии — эффективное средство оптимизации геологоразведочного процесса // Разведка и охрана недр, 2015. №12. С. 25–33.
18. Бабаянц П.С., Керцман В.М., Левин Ф.Д., Трусов А.А. Особенности современной аэрогамма-спектрометрии // Разведка и охрана недр. 2015. № 12. С. 10–16.
19. Fairhead, J.D., Cooper, G.R.J., Sander, S., Advances in airborne gravity and magnetics, Proceedings of Exploration 17: 6th Decennial International Conference on Mineral Exploration, edited by V. Tschirhart and M.D. Thomas, 2017, pp. 113–127.
20. Минлигареев В.Т., Сазонова Т.В., Арутюнян Д.А., Трегубов В.В., Хотенко Е.Н. Геофизическое обеспечение перспективных автономных магнитометрических навигационных систем // Гироскопия и навигация. 2020. Т. 28. № 4 (111). С. 95–105.
21. Stolz, R., Zakosarenko, V., Schulz, M., Chwala, A., Fritzsch, L., Meyer, H.G., Köstlin, E.O., Magnetic full-tensor SQUID gradiometer system for geophysical applications, Leading Edge, 2006, 25, pp. 178–180.
22. Stasinowsky, W., Tensor and vector magnetic advances: The latest software and hardware and what it means for exploration, Geophysics: New proven advances and applications in exploration geophysics, Prospectors and Developers Association of Canada Convention, 2020.
23. Karin, T., Dunham, S., Fu, S., Alignment of the diamond nitrogen vacancy center by strain engineering, Applied Physics Letters, 2014, May, pp. 1–4.
24. Sui, Y., Miao, H., Wang, Y., Luan, H., Lin, J., Correction of a towed airborne fluxgate magnetic tensor gradiometer, IEEE Geoscience and remote sensing letters, 2016, vol. 13, no. 12, pp. 1837–1841.
25. Sui, Y., Li, G., Wang, S., Lin, J., Compact fluxgate magnetic full-tensor gradiometer with spherical feedback coil, Review of scientific instruments, 2014, 85, 014701, pp. 1–7.
26. Пешехонов В.Г., Степанов О.А. и др. Современные методы и средства измерения параметров гравитационного поля Земли. СПб: АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2017. 390 с.
27. Соколов А.В., Краснов А.А., Алексеенко А.С., Стусь Ю.Ф., Назаров Е.О., Сизиков И.С. Опыт измерения абсолютного значения силы тяжести на подвижном основании // Гироскопия и навигация. 2017. №2(97). С. 77–88.
28. Пешехонов В.Г., Соколов А.В., Железняк Л.К., Береза А.Д., Краснов А.А. Вклад навигационных технологий в создание мобильных гравиметров // Гироскопия и навигация, 2019. Том 27. №4. С. 162–180.
29. Hofmeyer, G.M., Affleck, C.A. Rotating accelerometer gradiometer: US Patent 5,357,802, 1994.
30. Евстифеев М.И. Состояние разработок бортовых гравитационных градиентометров // Гироскопия и навигация. 2016. Т. 24. № 3(94). С. 96–114.
31. Евстифеев М.И. Динамика бортовых гравитационных градиентометров // Гироскопия и навигация. 2019. Т. 27. №3 (106). С. 69–87.
32. Соседко Д.Н. Обзор состояния разработок наземных и космических атомных гравитационных градиентометров // Материалы III Научно-практической конференции «Метрология в ХХI веке». ФГУП ВНИИФТРИ. 2015. С. 179–190.
33. Legault, J.M., Airborne electromagnetic systems – state of the art and future directions, CSEG Recorder, 2015, June, pp. 38–49.
34. Тригубович Г.М., Шевчук С.О., Косарев Н.С., Никитин В.Н. Комплексная технология навигационного и геодезического обеспечения аэроэлектромагнитных исследований // Гироскопия и навигация. 2017. №1 (96). С. 93–107.
35. Spies, B.R., Frischknecht, F.C. Electromagnetic sounding, Electromagnetic methods in applied geophysics, vol. 2: Applications, ed. M. N. Nabighian, 2008, pp. 285–425.
36. Bagrianski, A., Kuzmin, P., Prikhodko, A., AFMAG evolution – expanding limits, Extended abstracts of 16th SAGA biennial conference and exhibition, 2019, pp. 1–4.
37. Chwala, A., Kingman, J., Stolz, R., Schmelz, M., Zakosarenko, V., Linzen, S., Bauer, F., Starkloff, M., Meyer, M., Meyer, H.-G., Noise characterization of highly sensitive SQUID magnetometer systems in unshielded environments, Superconductor Science and Technology, 2013, 26, pp. 1–5.
38. Феликс Ж.Т., Каршаков Е.В., Мельников П.В., Ванчугов В.А. Результаты сопоставления данных аэро- и наземных электроразведочных систем, используемых при поиске кимберлитов в республике Ангола // Геофизика. 2014. 4. С. 17–22.
39. Могилевский В.Е., Бровкин Г.И., Контарович О.Р., Достижения, особенности и проблемы аэрогравиметрии // Разведка и охрана недр, 2015. 12., С. 16–25.
40. Вовенко Т.А., Волковицкий А.К., Павлов Б.В., Каршаков Е.В., Тхоренко М.Ю. Модели и структура бортовых измерений пространственных физических полей // Проблемы управления. 2015. №3. С. 59–68.
41. International geomagnetic reference field, доступно по адресу https://www.ngdc.noaa.gov/IAGA/vmod/igrf.html.
42. Barnes, D., Factor, J.K., Holmes, S.A., Ingalls, S., Presicci, M.R., Beale, J., Fecher, T., Earth gravitational model 2020, American Geophysical Union, Fall meeting 2015, abstract id. G34A-03.
43. Парселл Э. Электричество и магнетизм: учебное руководство / пер. с англ. под ред. А. И. Шальникова и А. О. Вайсенберга. М.: Наука, 1983. 416 с.
44. Болотин Ю.В., Вязьмин В.С. Методы l2 и минимаксного оценивания в задаче определения аномалии силы тяжести по данным аэрогравиметрии с использованием сферического вейвлет-разложения // Гироскопия и навигация, 2015. № 3(90). С. 82–94.
45. Karshakov, E., Iterated extended Kalman filter for airborne electromagnetic data inversion, Exploration Geophysics, 2020, vol. 51, no. 1, pp. 66–73.
46. Leliak, P. Identification and evaluation of magnetic-field sources of magnetic airborne detector equipped aircraft, IRE Transactions on aerospace and navigational electronics, 1961, vol. ANE-8, no. 3, pp. 95–105.
47. Павлов Б.В., Каршаков Е.В., Тхоренко М.Ю. Процедура калибровки навигационной системы с магнитоградиентометром // XXIV Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам, СПб: изд-во ЦНИИ Электроприбор, 2017. С. 48–51.
48. Волковицкий А.К., Гольдин Д.А., Каршаков Е.В., Павлов Б.В. Принципы построения, структура и алгоритмы аэроэлектроразведочных комплексов. Часть 1. Состояние, проблемы и теоретические основы. М.: ИПУ РАН, 2013. 142 с.
49. Huang, Y., Wu, L., Li, D., Theoretical research on full attitude determination using geomagnetic gradient tensor, Journal of navigation, 2015, 68, pp. 951–961.
50. Getscher, T., Frontera, P., Magnetic gradient tensor framework for attitude-free position estimation, International technical meeting of the institute of navigation, 2019, pp. 495–507.
51. Affleck, C.A., Jircitano, A., Passive gravity gradiometer navigation system, Proceedings of the IEEE Position location and navigation Symposium, 1990, pp. 60–66.
52. Gleason, D.M. Passive airborne navigation and terrian avoidance using gravity gradiometry, Journal of guidance, control and dynamics, 1995, vol. 18, no. 6, pp. 1450–1458.
53. Xiong, L., Xiao, L.W., Dan, B.B., Ma, J., Full tensor gravity gradient aided navigation based on nearest matching neural network, Cross strait quad-regional radio science and wireless technology conference, IEEE, 2013, pp. 462–465.
54. Welker, T.C., Pachter, M., Huffman Jr., R.E., Gravity gradiometer integrated inertial navigation, European control conference, Switzerland, 2013, pp. 846–851.
55. Волковицкий А.К., Каршаков Е.В., Павлов Б.В. Распределение эффективного удельного сопротивления пород как навигационное поле для корреляционно-экстремальных систем // Известия ЮФУ. Технические науки, 2012. № 3. С. 113–119.
56. Степанов О.А., Торопов А.Б. Методы нелинейной фильтрации в задаче навигации по геофизическим полям. Часть 2. Современные тенденции развития // Гироскопия и навигация. 2015. № 4. (91). С. 147–159.
57. Степанов О.А., Носов А.С., Торопов А.Б. О классификации алгоритмов решения задачи навигации по геофизическим полям // XXVII Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам. СПб: АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2020. С. 326–336.
58. Степанов О.А., Носов А.С. Алгоритм коррекции навигационной системы по данным карты и измерителя, не требующий предварительного оценивания значений поля вдоль пройденной траектории // Гироскопия и навигация. 2020. Т. 28. № 2 (109). С. 70–90.
59. Тхоренко М.Ю., Павлов Б.В., Каршаков Е.В., Волковицкий А.К. Интеграция бесплатформенной инерциальной навигационной системы с современными измерителями параметров аномального магнитного поля Земли // XXV Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам, сборник материалов. СПб: АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2018. С. 26–29.
60. Тхоренко М.Ю., Каршаков Е.В., Павлов Б.В. Методы обработки геофизических данных для обеспечения работы навигационной системы, корректируемой по градиенту магнитного поля Земли // XIII Всероссийское совещание по проблемам управления, сборник материалов. СПб: ИПУ РАН, 2019. С. 3012–3018.
61. Степанов О.А., Торопов А.Б. Методы нелинейной фильтрации в задаче навигации по геофизическим полям. Часть 1. Обзор алгоритмов // Гироскопия и навигация. 2015. №3(90). С. 102–125.
62. HeliFALCON airborne gravity gradiometer and magnetic stinger survey, Geophysical survey report, Sullivan North, Missouri, Project 14012 USGS, by CGG, May 30, 2014. 43 p.
63. Бобров Д.C. Исследование алгоритмов подготовки навигационных гравиметрических карт по цифровым картам рельефа // Труды IV Всероссийской научно-технической конференции «Навигация, наведение и управление летательными аппаратами». Москва: ГосНИИАС, 2019. С. 206–207.
64. Ley-Cooper, A.Y., Brodie, R.C., Richardson, M., AusAEM: Australia’s airborne electromagnetic continental scale acquisition program, Exploration geophysics, 2020, vol. 51, no. 1, pp. 193–202.
65. Hǿyer, A.-S., Jǿrgensen, F., Viezzoli, A., Menghini, A., Pedersen, S.A.S., Geological interpretation of structural geology and buried valleys at the foothills of the Rocky Mountains, British Columbia – Based on SkyTEM data, AEM 2018 conference, Denmark, 2018, pp. 1–4.
66. Reninger, P.-A., Martelet, G., Perrin, J., Dumont, M., Processing methodology for regional AEM surveys and local implications, Exploration geophysics, 2020, vol. 51, no. 1, pp. 143–154.
67. Мойланен Е.В., Гаракоев А.М., Каршаков Е.В. Аэрогеофизическая съемка Республики Руанды (26 000 км2) с помощью системы «Экватор» // Материалы 10-й международной конференции «Управление развитием крупномасштабных систем». 2017. Т. 2. С. 154–157.
68. Мельников П.В., Каршаков Е.В. Результаты опытных аэромагнитных работ по измерению горизонтальных градиентов магнитного поля с использованием самолета Ан-3 // Труды 14-й научно-практической конференции «Инженерная и рудная геофизика». Алматы, 2018. С. 1–5.
69. Торге В. Гравиметрия. М.: Мир, 1999. 430 с.
Review
For citations:
Karshakov E.V., Pavlov B.V., Tkhorenko M.Yu., Papusha I.A. Promising Map-Aided Aircraft Navigation Systems, Giroskopiya i Navigatsiya. Gyroscopy and Navigation. 2021;29(1):32-51. https://doi.org/10.17285/0869-7035.0055
Email this article 