RU109553U1 - Интегрированная система на основе бесплатформенной инерциальной навигационной системы и спутниковой навигационной системы - Google Patents

Abstract

Интегрированная система на основе бесплатформенной инерциальной навигационной системы и спутниковой навигационной системы, включающая тройку гироскопических датчиков, тройку акселерометров кажущихся ускорений, приемник с антенной спутниковой навигационной системы, бортовой компьютер, закрепленные на корпусе подвижного объекта, отличающаяся тем, что в ее состав введены дополнительно приемник с антенной спутниковой навигационной системы и блок сопряжения, при этом антенны смещены в разные стороны от центра подвеса подвижного объекта вдоль продольной, поперечной и нормальной осей на разные расстояния, в алгоритмы ориентации введены члены коррекции по курсу от спутниковых приемников по углу курса из алгоритмов разностей сигналов разнесенных антенн по географическим широте, долготе и высоте местоположения подвижного объекта.

Description

Полезная модель относится к системам ориентации, навигации и управления подвижных объектов: наземных транспортных средств, кораблей и летательных аппаратов. Она включает в свой состав бесплатформенную инерциальную систему (БИНС) и два приемника спутниковой навигационной системы (СНС) GPS/ГЛОНАСС.

Известны бесплатформенные инерциальные навигационные системы БИНС (Андреев В.Д. Теория инерциальной навигации. Автономные системы - М.: ФМ, 1966. - 560 с.), состоящие из тройки гироскопических датчиков угловой скорости и тройки акселерометров-измерителей кажущихся ускорений, закрепленных на корпусе подвижного объекта, а также из бортового компьютера. Они предназначены для автономного определения географических долготы, широты, высоты места, а также для определения трех углов ориентации подвижного объекта.

Недостатком такой БИНС является наличие нарастающих во времени погрешностей, дороговизна в случае применения точных БИНС, длительное время выставки.

Известна спутниковая навигационная система (Анучин О.И. Интегрированные системы ориентации и навигации для морских подвижных объектов. - СПб.: ЦНИИ «Электроприбор», 2003. - 390 с.), которая состоит из спутникового сверхвысокочастотного приемника с антенной и бортового компьютера, которые определяют географические широту, долготу и высоту места, а также путевую скорость СНС.

Недостатками такой системы являются прерывание приема радиосигналов и снижение точности из-за затенений и из-за помех, а также невозможность определения параметров ориентации подвижных объектов (Алешечкин A.M. Алгоритм определения угловой ориентации объектов по сигналам глобальных навигационных систем / Сб. матер. 18 СПб МНК, ЦНИИ «Электроприбор», 2011. - С.314-323).

Имеются двух-трех антенные СНС, в которых частично устранены указанные недостатки: в двухантенных СНС определяются два угла ориентации (например, JAVAD), в трехантенных - три угла ориентации, например, МРК-32 (Костенко Г.И. Интегрированная инерциальная система ориентации и навигации с многоантенным спутниковым приемником, / Сб. матер. 18 СПб МНК, ЦНИИ «Электроприбор», 2011. - с.281).

Однако, погрешности от шумов и затенений остаются. Кроме того, антенны СНС закреплены в фиксированных положениях относительно подвижных объектов и не могут быть изменены.

Известны интегрированные системы ориентации и навигации на базе БИНС, включающие тройку гироскопических датчиков угловой скорости (ДУС), три акселерометра кажущихся ускорений и бортовой компьютер, а также спутниковую навигационную систему либо GPS, либо ГЛОНАСС. (Анучин О.И. Интегрированные системы ориентации и навигации для морских подвижных объектов. - СПб.: ЦНИИ «Электроприбор», 2003. - 390 с.). В них значительно снижены недостатки как БИНС, так и СНС. Недостатком такой системы является невозможность ввода коррекции по углу курса, т.к. в ней не идентифицируется восточная составляющая угловой скорости дрейфа ДУСОВ (Емельянцев Г.И., Цай Тицин. О наблюдаемости восточного дрейфа инерциального измерительного модуля в условиях специального маневрирования объекта // Гироскопия и навигация, 2005, №4 (51), С.32-41.).

Известна «Интегрированная система резервных приборов для самолетов и вертолетов» (Патент RU №2337315, G10C 21/00, 2008, авторы Кожевников В.И. и др.), содержащая ЖК-индикатор, датчики полного и статического давления, модуль с инерциальными датчиками пространственной ориентации углов курса, тангажа, крена, средства СНС, бортовую навигационную систему БИНС, магнитный зонд, средства вычислений параметров движения, их отображения на экране и передачи в систему управления. Недостатком системы является ее чрезмерная сложность и потребность в применении множества групп датчиков различной физической природы. Это возможно применять в ЛА.

Известна интегрированная навигационная система по патенту RU №2263282, G01C 23|00, 2005, авторов Мезенцева А.П. и д.р., содержащая БИНС, микромеханические чувствительные элементы, СНС, приемники приема-передачи данных наземной станции слежения, имеются магнитные опоры крепления системы на подвижном объекте, схема обработки информации.

Недостатком является большая сложность схемы и конструкции, дороговизна, подверженность действию помех.

Наиболее близкой является интегрированная система ориентации и навигации (ИСОН) (Анучин О.Н., Емельянцев Г.И. О влиянии угловых колебаний объекта на точность и время выставки по курсу интегрированной системы ориентации и навигации / Сб. статей и докладов «Интегрированные инерциальные системы навигации» - СПб.: ЦНИИ «Электроприбор», 2004. - С.60-82.), включающая бескарданный информационный измерительный модуль (БИИМ), приемную аппаратуру СНС и пульт управления, контроля и обработки данных. БИИМ в свою очередь состоит из тройки гироскопических ДУС'ов на основе волоконно-оптических, твердотельных волновых или других гироскопов, тройки акселерометров кажущихся ускорений. Приемная аппаратура СНС включает одноантенный приемник. Пульт управления применяется для морских кораблей, в других случаях пульт может и не использоваться.

Недостатком такой системы является невозможность при начальной выставке системы, а также при нормальном, без дополнительных маневров, режиме движения идентифицировать восточную угловую скорость дрейфа тройки ДУС'ов (Емельянцев Г.И., Цай Тицин. О наблюдаемости восточного дрейфа инерциального измерительного модуля в условиях специального маневрирования объекта // Гироскопия и навигация, 2005, №4 (51), С.32-41.) и определить три угла ориентации объекта по сигналам СНС.

Задачей заявляемой полезной модели является значительное уменьшение указанной погрешности БИИМ за счет идентификации восточной угловой скорости дрейфа тройки ДУС'ов, а также возможность определения по сигналам GPS трех углов ориентации подвижного объекта для целей коррекции БИНС.

Технический результат заключается в применении дополнительного СНС приемника и антенны и взаимном расположении двух антенн, которые смещены в разные стороны от центра подвеса подвижного объекта вдоль продольной, поперечной и нормальной осей на разные расстояния.

Поставленная задача решается тем, что интегрированная система на основе бесплатформенной инерциальной навигационной системы и спутниковой навигационной системы, включающая тройку гироскопических датчиков, тройку акселерометров кажущихся ускорений, приемник с антенной спутниковой навигационной системы, бортовой компьютер, закрепленные на корпусе подвижного объекта, согласно заявляемому техническому решению дополнительно содержит приемник с антенной спутниковой навигационной системы и блок сопряжения, при этом антенны смещены в разные стороны от центра подвеса подвижного объекта вдоль продольной, поперечной и нормальной осей на разные расстояния.

Полезная модель поясняется чертежами: фиг.1-фиг.3.

На фиг.1 изображена функциональная схема интегрированной системы на основе бесплатформенной инерциальной и спутниковой навигационных систем.

На фиг.2 изображена схема размещения двух антенн приемников спутниковых навигационных систем (СНС) на подвижном объекте.

На фиг.3 представлены схемы поворотов систем координат.

Позициями на чертежах обозначены: 1, 2 - приемники СНС, 3, 4 -антенны, соответствующие приемникам СНС, 5 - блок тройки гироскопических датчиков угловых скоростей, 6 - блок тройки акселерометров кажущихся ускорений, 7 - корпус подвижного объекта, 8 - блок сопряжения, 9 - бортовой компьютер.

Приемники СНС 1, 2 расположены вблизи антенн 3, 4. Антенны 3, 4, блок тройки гироскопических датчиков угловых скоростей 5, блок тройки акселерометров кажущихся ускорений 6 закреплены непосредственно на корпусе подвижного объекта 7, в силу чего инерциальная система названа бесплатформенной инерциальной навигационной системой (БИНС). Блок сопряжения 8 состоит из аналого-цифрового преобразователя, интерфейса и других устройств, необходимых для преобразования и обеспечения совместного функционирования информации блоков 1-6. Чувствительные элементы блока тройки гироскопических датчиков угловых скоростей 5 могут быть выполнены на волоконно-оптических (например, ВГ-951), поплавковых, твердотельных волновых, лазерных или микромеханических гироскопах в зависимости от назначения, точности и стоимости системы. Блок тройки акселерометров кажущихся ускорений 6 может быть составлен на кварцевых, кремниевых, например, АК-15 (г.Арзамас), маятниковых поплавковых, микромеханических акселерометров. В качестве приемников СНС 1, 2 могут быть применены одноантенные приемники фирмы «Trimble», например, в дифференциальном режиме марки «Trimble» (Ag GPS132) или отечественный приемник ГЛОНАСС/GPS «Гид» (file: //E:\GPS\ Гид. htm) или приемники корпорации «Авиаприбор» (СНС -2, СНС -3) с погрешностью в дифференциальном режиме 1 см.

Размещение блоков 1-6 на подвижных объектах, их взаимосвязь показаны на фиг.1, 2. Работа блоков описана во многих источниках информации, в частности в (Анучин О.И. Интегрированные системы ориентации и навигации для морских подвижных объектов. - СПб.: ЦНИИ «Электроприбор», 2003. - 390 с.), (Костенко Г.И. Интегрированная инерциальная система ориентации и навигации с многоантенным спутниковым приемником, / Сб. матер. 18 СПб МНК, ЦНИИ «Электроприбор», 2011. - с.281), (Анучин О.Н. О влиянии угловых колебаний объекта на точность и время выставки по курсу интегрированной системы ориентации и навигации / Сб. статей и докладов «Интегрированные инерциальные системы навигации» - СПб.: ЦНИИ «Электроприбор», 2004. - С.60-82.). Что касается взаимосвязи между приборами, они представляют собой электрические и радиоэлектронные связи, и вполне поясняются схемой фиг.1.

На фиг.2 представлена новая схема размещения приемников СНС 3 и 4 на корпусе 7 подвижного объекта, с которым связана правая ортогональная система координат Oх₁x₂x₃. При этом полюс О совмещен с центром подвеса подвижного объекта, ось ox₁ направлена по продольной оси объекта, ось ox₂ является его нормальной осью, а ось ох₃ направлена на правый борт по ходу движения (фиг.2, фиг.3).

При этом радиус-вектор, соединяющий центры антенн 3 и 4 приемников 1 и 2 СНС, сориентирован так, что полюс O₁ смещен вдоль оси Ox₁, вниз от полюса О на величину и на величину - от полюса О, на величину от т.О к правому борту. При этом полюс O₂ имеет смещения вдоль этих же осей на величины - ; ; - . Система координат O₁u₁u₂u₃ - система, оси которой параллельны соответствующим осям системы координат O₁x₁x₂x₃, связанной с корпусом 7 ПО. В соответствии с описанным расположением антенн 3 и 4 приемники 1 и 2 СНС измеряют информацию, описываемую формулами:

φ₁λ₁H_1, φ₂λ₂H₂

где φ_kλ_KH_K (k=1, 2) - географические широты и долготы ПО в т.O₁ и О₂, а Н_K - высоты этих точек, в итоге т.O₂ имеет в системе координат смещение L, h, -b. В сигналы φ₂λ₂H₂ входят расстояния L, b и h ПО, а, следовательно, сигналы об углах поворотов ПО Ψ, θ, γ. Угловые координаты φ₁, λ, дают возможность определить декартовы:

φ_iR=ζ_1i, λ_iRcosφ_i=ζ_3i(i=1, 2), H₂-H₁=h.

Из этого имеем (R - радиус Земли):

ζ₁₂-ζ₁₁=Δζ₁; ζ₃₂-ζ₃₁=Δζ₃

где Δζ₁, Δζ₃ - разность декартовых географических координат по осям Oζ₁ и Оζ_3. В силу формулы [Δζ₁, Δζ₂, Δζ₃]^T=Â^T[u₁ u₂ u₃]^T

или

[Δζ₁, Δζ₂, Δζ₃]^T=Â^T[Lh-n]^T

где Т - символ транспонирования, получаем

;

.

Система координат Оζ₁ζ₂ζ₃ - географическая, ось Оζ₁ которой в плоскости горизонта направлена на север, ось Oζ₂ - по истинной вертикали вверх, а ось Оζ₃ - на восток. Углы Ψ, θ, γ - это углы курса, тангажа и крена соответственно. Абсолютные угловые скорости географической системы координат в проекциях на ее оси (i=1, 2, 3) определяются по формулам:

;

;

где U - угловая скорость вращения Земли, φ, R - географические широта и радиус Земли, принимаемой за сферу, - северный и восточный компоненты путевой скорости подвижного объекта относительно Земли.

Интегрированная система работает следующим образом.

При движении объекта по поверхности Земли производятся измерения абсолютных угловых скоростей по осям подвижного объекта ω_xi (i=1, 2, 3) и кажущихся ускорений (i=1, 2, 3) по соответствующим осям тройкой гироскопических датчиков угловых скоростей 5 и тройкой акселерометров кажущихся ускорений 6. С выходов блоков 5 и 6 поступает информация на соответствующие входы блока сопряжения 8 в виде электрических сигналов. Эти сигналы пропорциональны следующим физическим переменным ω_xiW_xi (i=1, 2, 3):

где A - матрица направляющих косинусов, g - ускорение силы тяготения, W_ζi (i=1, 2, 3) - компоненты абсолютного ускорения полюса O₁ подвижного объекта по осям О_ζi (i=1, 2, 3). В бортовом компьютере 9 производятся вычисления углов ориентации Ψ, θ, γ последующим алгоритмам:

;

;

; ;

где - переменные W_xi, ω_xi,Ψ, θ, γ в которых учтены погрешности датчиков первичной информации; K_θ, K_y, , - коэффициенты передачи позиционной и интегральной горизонтальной коррекции; - начальные значения соответствующих углов; - угловые скорости коррекции, причем - азимутальной, причем , - коэффициенты передачи по углу курса, t₀ - начальное значение времени; Â - алгоритм, вычисляемый по формуле для А, но в силу углов .

Новыми членами в алгоритмах (6) являются второй и третий члены в выражении для - это члены компасной коррекции от GPS-приемников. Находят разности сигналов Δζ_i (i=1, 2, 3) приемников 3 и 4, и из них находят из правых частей уравнений (1) углы Ψ, θ, γ. Видно, что в формулы (1) входят все три угла ориентации, но система неразрешима. Это можно доказать для малых углов Ψ, θ, γ (для которых имеют место линеаризованные уравнения (7)):

Определитель имеет вид:

Он равен нулю, что и подтверждает сказанное: три угла из (7) нельзя определить.

Для решения задачи по уравнениям (1) привлекается информация БИНС, в силу которой из первых пяти уравнений в (6) используется знание оценок углов . Тогда из (2) с учетом известных углов находят угол Ψ_GPS. После выкладок получили решение для угла Ψ_GPS:

Значение Ψ_GPS после этого подставляют в алгоритм (6). Через несколько шагов счета бортового компьютера 9, когда переходный процесс в БИНС закончится, значение угла Ψ_GPS используется в уравнениях (7) для определения θ*…γ* и уточнения углов на выходе системы по алгоритмам:

;

где Т - постоянная времени, причем T∈(10…50)с для обеспечения фильтрации сигналов от GPS. Так, для углов θ* и γ* имеем:

Эти выражения показывают, что задача разрешима: три угла Ψ_GPS, θ*, γ* определены по сигналам GPS с привлечением информации БИНС. Углы Ψ₁, θ₁, γ₁ используются в БИНС и являются выходными для интегрированной системы навигации.

Технико-экономический эффект от применения заявляемой полезной модели заключается в том, что с помощью смещенного расположения двух антенн приемников GPS, при использовании сигналов по углам БИНС, удается определить три угла ориентации подвижного объекта, что проще применения трехантенного МРК-32, следовательно, дешевле, и в то же время позволяет по сигналам GPS/ГЛОНАСС повышать точность определения трех углов ориентации подвижного объекта и параметров навигации .

Claims (1)

1. Интегрированная система на основе бесплатформенной инерциальной навигационной системы и спутниковой навигационной системы, включающая тройку гироскопических датчиков, тройку акселерометров кажущихся ускорений, приемник с антенной спутниковой навигационной системы, бортовой компьютер, закрепленные на корпусе подвижного объекта, отличающаяся тем, что в ее состав введены дополнительно приемник с антенной спутниковой навигационной системы и блок сопряжения, при этом антенны смещены в разные стороны от центра подвеса подвижного объекта вдоль продольной, поперечной и нормальной осей на разные расстояния, в алгоритмы ориентации введены члены коррекции по курсу от спутниковых приемников по углу курса из алгоритмов разностей сигналов разнесенных антенн по географическим широте, долготе и высоте местоположения подвижного объекта.