RU2569487C1 - Method of adaptive generation of unified global system of 3d coordinates directly on ellipsoid - Google Patents

Abstract

FIELD: measurement equipment.

SUBSTANCE: unity of measurements is provided along every motion manifold of a movable object (MO): a single system of orthogonal coordinates is established, which does not provide distortions of angles and distances, directly on an ellipsoid, using flat metric graphs of small length, which preserves unity of global coordinates without use of any cartographical projections. At the same time they determine global 3D coordinates of the MO path axis with a measurement-computing complex with an interval of 1 m, producing linear meter metric graphs, matching meter vectors or linear meter splines, which represent continuous functions.

EFFECT: expansion of functional capabilities.

2 dwg

Description

Изобретение относится к навигации и управлению подвижных объектов наземного транспорта и содержанию геометрии его траектории движения.The invention relates to navigation and control of moving objects of ground transport and the content of the geometry of its trajectory.

В настоящее время навигация всех видов транспорта основана на спутниковых радионавигационных системах (СРНС) типа ГЛОНАСС (Россия), GPS (США) и др. Железнодорожный транспорт имеет особенность перед другими видами транспорта, состоящую в том, что траектория движения подвижных объектов (ПО) его зафиксирована на местности с высокой точностью, что, в свою очередь, позволяет определить эталонную координатную модель пути (ЭКМП). Патент РФ на изобретение №2287187, 2005 г. Авторы: С.И. Матвеев, В.М. Круглов, А.С. Матвеев и др. «Способ определения эталонной координатной модели железнодорожного пути и устройство для его осуществления».Currently, navigation of all modes of transport is based on satellite radio navigation systems (SRNS) of the GLONASS type (Russia), GPS (USA) and others. Railway transport has a feature over other modes of transport, which consists in the fact that the trajectory of its moving objects (PO) is recorded on the ground with high accuracy, which, in turn, allows you to determine the reference coordinate model of the path (EKMP). RF patent for the invention No. 2287187, 2005. Authors: S.I. Matveev, V.M. Kruglov, A.S. Matveev et al. “A method for determining the reference coordinate model of a railway track and a device for its implementation”.

Под ЭКМП понимают метризованные эталонные функции (модели), представленные в виде равномерных (например, метровых) точечных шкал, условно фиксирующих положение рабочих граней левого и правого рельсов и оси пути в трехмерной ортогональной системе координат с точностью, необходимой для диагностики геометрических параметров пути, что позволяет выполнять калибровку и самокалибровку датчиков угловых и линейных измерений навигационных систем и самонастройку их по эталонной модели.By ECMP we mean metrized reference functions (models) presented in the form of uniform (for example, meter) point scales that conditionally fix the position of the working faces of the left and right rails and the track axis in a three-dimensional orthogonal coordinate system with the accuracy necessary for the diagnosis of path geometric parameters, which allows you to calibrate and self-calibrate the sensors of angular and linear measurements of navigation systems and their self-tuning according to the reference model.

Этот способ координирования пути является наиболее близким по технической сущности. Он и взят за прототип.This way of coordinating the path is the closest in technical essence. He is taken as a prototype.

Прототип не обеспечивает точного определения непрерывной эталонной координатной модели на всем протяжении железнодорожных магистралей, т.е. не удовлетворяет основному принципу метрологии - обеспечению единства измерений и требованию Постановления Правительства от 28 декабря 2012 г. «О единых государственных системах координат» в прямоугольной СК-95/11 и эллипсоидальной B, L, H/11 формах (рис. 1).The prototype does not provide an accurate definition of a continuous reference coordinate model along the entire length of railways, i.e. it does not satisfy the basic principle of metrology - ensuring the uniformity of measurements and the requirement of the Government Decree of December 28, 2012 “On Unified State Coordinate Systems” in rectangular SK-95/11 and ellipsoidal B, L, H / 11 forms (Fig. 1).

Ни прямоугольная, ни эллипсоидальная форма неудобны для использования в транспортно-строительном комплексе ни для навигации, ни для проектирования, ни для строительства инженерных сооружений. Технический результат заявляемого объекта состоит в создании траектории движения впервые на всем протяжении железнодорожных магистралей для обеспечения самокалибровки и самонастройки навигационных систем локомотивов, диагностических и выправочных комплексов в единой системе прямоугольных координат. Сущность заявляемого изобретения состоит в том, что для обеспечения единства измерений на протяжении всех магистралей устанавливают единую, не дающую искажений углов и расстояний систему ортогональных координат непосредственно на эллипсоиде, за счет применения плоских метрических графов малой длины (Б.А. Левин, С.И. Матвеев, И.Н. Розенберг Теория адаптивных систем навигации и управления движением железнодорожного транспорта на основе глобальной навигационной спутниковой системы ГЛОНАСС и навигационных функций. М.: ВИНИТИ РАН, 2014, 110 с.), что сохраняет единство глобальных координат (впервые) без применения каких-либо картографических проекций. Для этого вначале определяют глобальные трехмерные координаты оси пути, измерительно-вычислительным комплексом, подобным указанному на рис. 1, с интервалом 1 м, получая линейные метровые метрические графы, совпадающие с метровыми векторами или линейными метровыми сплайнами, представляющими собой непрерывные функции.Neither a rectangular nor an ellipsoidal shape is inconvenient for use in the transport and construction complex, neither for navigation, nor for design, nor for the construction of engineering structures. The technical result of the claimed object is to create a trajectory for the first time throughout the railway lines to ensure self-calibration and self-adjustment of navigation systems of locomotives, diagnostic and alignment systems in a single system of rectangular coordinates. The essence of the claimed invention lies in the fact that to ensure the uniformity of measurements along all highways, a single system of orthogonal coordinates that does not give distortions of angles and distances directly on the ellipsoid is established, due to the use of flat metric graphs of short length (B.A. Levin, S.I. Matveev, IN Rosenberg Theory of adaptive navigation systems and railway traffic control based on the GLONASS global navigation satellite system and navigation functions. M.: VINITI RAS, 2014, 110 pp.), it preserves the unity of the global coordinates (the first time) without the use of any map projection. To do this, first determine the global three-dimensional coordinates of the path axis, with a measuring and computing complex similar to that shown in Fig. 1, with an interval of 1 m, obtaining linear meter metric graphs that coincide with meter vectors or linear meter splines, which are continuous functions.

АИВК состоит из спутникового двухчастотного ГЛОНАСС/GPS приемника (ровера) 1, бесплатформенной инерциальной системы (БИНС), которые эффективно изготавливать из микроэлектронных механических систем (МЭМС), широко используемых в телекоммуникационных устройствах 2, датчиков пути и ширины колеи 3, контроллера для синхронной записи показаний этих измерительных устройств по часам ровера 4 и персонального компьютера 5, устанавливаемом на любом ПО (например, на миниатюрной путеизмерительной тележке ПТ-10 фирмы «Твема») и системы временных базовых станций из спутниковых приемников того же типа, что и ровер, установленных вдоль железнодорожной магистрали через 20-50 км друг от друга.AIVK consists of a satellite two-frequency GLONASS / GPS receiver (rover) 1, strapdown inertial system (SINS), which are effectively made from microelectronic mechanical systems (MEMS), widely used in telecommunication devices 2, track sensors and track gauge 3, controller for synchronous recording the readings of these measuring devices according to the clock of the rover 4 and the personal computer 5 installed on any software (for example, on the miniature track measuring trolley PT-10 of the firm “Twema”) and the temporary base system Dances from the satellite receivers of the same type as the rover, mounted along the railway line through the 20-50 km from each other.

АИВК и связанный с ним алгоритмический и программный комплекс представляют собой интегрированную специализированную систему для создания эталонных координатных моделей железнодорожного пути.AIVK and the associated algorithmic and software complex are an integrated specialized system for creating reference coordinate models of the railway track.

АИВК этого типа являются универсальными кибернетическими системами. Они могут устанавливаться на путеизмерительные комплексы ЦНИИ-4, КВЛП, выправочные комплексы и другие, им подобные, для того, чтобы создавать эталонные координатные модели пути. Эти модели являются готовым исходным материалом для проведения выправки пути в плане и профиле при достижении требуемой точности измерений. Однако при создании высокоскоростных железнодорожных направлений ЭКМП следует создавать с размещением АИВК на путеизмерительных тележках.AIVCs of this type are universal cybernetic systems. They can be installed on the TsNII-4, KVLP travel measuring complexes, correction complexes and others, similar to them, in order to create reference coordinate models of the track. These models are a ready-made source material for straightening the path in plan and profile while achieving the required measurement accuracy. However, when creating high-speed rail lines, ECMP should be created with the placement of AIVK on track measuring carts.

Полученные ЭКМП используют в способе спутниковой навигации подвижных объектов (ПО) железнодорожного транспорта как известные навигационные функции.The obtained ECMPs are used in the method of satellite navigation of moving objects (PO) of railway transport as well-known navigation functions.

В известных способах спутниковой навигации координаты ПО определяют линейной засечкой от 4 и более спутников и отображают положение ПО на цифровой навигационной карте. В них не обеспечивают обратной связи координат ПО с известной траекторией движения.In known methods of satellite navigation, the coordinates of the software are determined by a linear notch from 4 or more satellites and the position of the software is displayed on a digital navigation map. They do not provide feedback of software coordinates with a known trajectory of motion.

Технический результат заявляемого объекта состоит в определении координат путем линейной засечки ПО, перемещающегося по известной навигационной функции даже при отсутствии спутниковых сигналов.The technical result of the claimed object is to determine the coordinates by linear notching software moving along a known navigation function even in the absence of satellite signals.

Важным результатом предлагаемого изобретения следует считать разработку геоинформационной технологии создания эталонных координатных моделей железнодорожного пути, включающей следующие основные составляющие:An important result of the invention should be considered the development of geographic information technology for creating reference coordinate models of the railway track, including the following main components:

1. Временную ДП ГНСС и трехмерную составную системы координат железнодорожной магистрали.1. The temporary GNSS DP and the three-dimensional composite coordinate system of the railway.

2. Адаптивный измерительно-вычислительный комплекс (АИВК) для создания ЭКМП на основе комплексирования инерциальных и спутниковых измерений.2. Adaptive measuring and computing complex (AIVK) for creating EKMP based on the integration of inertial and satellite measurements.

3. Адаптивный алгоритм стохастической фильтрации комплексированных измерений, основанный на рекуррентной обработке поступающих инерциальных и спутниковых измерений, приводимых к равноточному виду, и последующее их решение методом плоских ортогональных вращений Гивенса.3. An adaptive algorithm for stochastic filtering of complex measurements, based on the recurrent processing of incoming inertial and satellite measurements, reduced to an even-sighted form, and their subsequent solution by the method of plane orthogonal rotations of Givens.

4. Адаптивную систему определения эталонных координатных моделей железнодорожного пути4. Adaptive system for determining the reference coordinate models of the railway

Геоинформационная технология является важным компонентом предлагаемого изобретения, которое иллюстрируется чертежом, где на рис. 2 приведена блок схема этой технологии.Geographic information technology is an important component of the invention, which is illustrated in the drawing, where in Fig. 2 shows a block diagram of this technology.

Приведенная геоинформационная технология создания эталонных координатных моделей пути включает адаптивный измерительно-вычислительный комплекс (АИВК) и адаптивный алгоритм стохастической фильтрации (ААСФ), в которых самонастройка (адаптация) осуществляется адаптивными алгоритмами контроллера и персонального компьютера. Придание алгоритмам свойств самонастройки (адаптации) существенно расширяет возможности измерительных и навигационных систем. Как видно из рис. 2, представленная геоинформационная технология содержит три контура самонастройки и потому сама может быть отнесена к классу адаптивных геоинформационных технологий.The geographic information technology for creating reference coordinate models of the path includes the adaptive measuring and computing complex (AIVK) and the adaptive stochastic filtering algorithm (AASF), in which self-tuning (adaptation) is carried out by adaptive algorithms of the controller and personal computer. Giving algorithms the properties of self-tuning (adaptation) significantly expands the capabilities of measuring and navigation systems. As can be seen from fig. 2, the presented geographic information technology contains three loops of self-tuning and therefore can itself be assigned to the class of adaptive geographic information technologies.

Поскольку полученные в результате принятой технологии координаты фиксируют метровые векторы оси пути, их логично представлять координатами концов этих векторов.Since the coordinates obtained as a result of the adopted technology fix meter-long vectors of the path axis, it is logical to represent them by the coordinates of the ends of these vectors.

Далее авторы переходят от ЭКМП к существу изобретения - совершенно новой (ранее неизвестной) системе трехмерных прямоугольных координат, впервые полученной без использования каких-либо картографических проекций. Для этого предлагаем вычислять координаты х, y и z каждого метрового вектора непосредственно на эллипсоиде, для чего воспользуемся техникой вычисления топоцентрических координат (С.И. Матвеев, В.А. Коугия. Высокоточные цифровые модели пути и спутниковая навигация железнодорожного транспорта. М.: Маршрут, 2005, 290 с.), вычисляя приращения координат Δx_i+1, Δy_i+1, Δz_i+1 между концами каждого вектора по формуле:Further, the authors pass from the ECMP to the essence of the invention - a completely new (previously unknown) system of three-dimensional rectangular coordinates, first obtained without the use of any cartographic projections. To do this, we propose to calculate the x, y, and z coordinates of each meter vector directly on an ellipsoid, for which we use the technique of calculating topocentric coordinates (S.I. Matveev, V.A. Kougiya. High-precision digital track models and satellite navigation of railway transport. M: Route, 2005, 290 pp.), Calculating the increments of the coordinates Δx _{i + 1} , Δy _{i + 1} , Δz _{i + 1} between the ends of each vector by the formula:

или, переходя к строчной записи для приращений Δx_i+1, Δy_i+1, Δz_i+1, будем иметьor, going to the row entry for the increments Δx _{i + 1} , Δy _{i + 1} , Δz _{i + 1} , we will have

Поскольку все вычисления проходят на эллипсоиде очень короткими отрезками длиной 1 м, то приращения координат, вычисленные по формуле (2), не подвержены искажениям за кривизну эллипсоида, и мы получаем новую прямоугольную систему координат, вычисляя координаты x_i+1, y_i+1 и z_i+1 концов каждого вектора по рекуррентным формуламSince all calculations are performed on the ellipsoid by very short segments 1 m long, the increments of coordinates calculated by formula (2) are not affected by distortions for the curvature of the ellipsoid, and we obtain a new rectangular coordinate system by calculating the coordinates x _{i + 1} , y _{i + 1} and z _{i + 1} ends of each vector according to recurrence formulas

Достоинством способа является полная независимость вычисления координат в любом районе железнодорожной сети. Так, для любого железнодорожного пути с номером j, состоящего из к метровых интервалов, формулы (3) остаются справедливыми.The advantage of this method is the complete independence of the calculation of coordinates in any area of the railway network. So, for any railway track with number j, consisting of kilometer intervals, formulas (3) remain valid.

Полученные по формулам (2) и (3) эталонные координатные модели траекторий движения могут быть названы навигационными функциями. Они являются новым классом непрерывных опорных геодезических сетей специального назначения и могут эффективно использоваться взамен создаваемых на скоростных магистралях реперных систем контроля плана и профиля пути.The reference coordinate models of motion paths obtained by formulas (2) and (3) can be called navigation functions. They are a new class of continuous reference geodetic networks for special purposes and can be effectively used instead of the reference systems for controlling the plan and track profile created on highways.

На их основе могут быть созданы стратегически безопасные автономные самокалибрующиеся и самонастраивающиеся по навигационным функциям навигационные системы железнодорожного транспорта без использования спутниковых технологий (технологий двойного назначения), что особенно важно в современных политических условиях.Based on them, strategically safe autonomous self-calibrating and self-adjusting navigation systems for railway transport without satellite technology (dual-use technologies) can be created, which is especially important in modern political conditions.

Используя патент РФ на изобретение №2287187 2005 г. (авторы: С.И. Матвеев, В.М. Круглов, А.С. Матвеев и др. «Способ определения эталонной координатной модели железнодорожного пути и устройство для его осуществления») и теорию метрических графов (С.И. Матвеев, В.А. Коугия. Высокоточные цифровые модели пути и спутниковая навигация железнодорожного транспорта. М.: Маршрут, 2005, 290 с.), созданы:Using the RF patent for invention No. 2287187 of 2005 (authors: S.I. Matveev, V.M. Kruglov, A.S. Matveev and others. "Method for determining the reference coordinate model of a railway track and device for its implementation") and theory metric graphs (S. I. Matveev, V. A. Kougiya. High-precision digital track models and satellite navigation of railway transport. M.: Route, 2005, 290 pp.), created:

1. Новая система единых трехмерных глобальных координат, подтвержденная формулами (2) и (3), пригодная для создания единых прямоугольных глобальных координат для всех видов транспорта и транспортно-строительного комплекса в целом;1. A new system of single three-dimensional global coordinates, confirmed by formulas (2) and (3), suitable for creating single rectangular global coordinates for all types of transport and the transport and construction complex as a whole;

2. Абсолютно безопасная система навигации всех видов транспорта, не требующая в процессе движения ПО наличия спутниковых сигналов.2. Absolutely safe navigation system for all modes of transport, which does not require satellite signals during the movement of the software.

3. Новый способ создания единой безошибочной системы пикетажа, освобождающей железнодорожников от нарушающих целостность системы железных дорог, так называемых «резаных» пикетов и километров.3. A new way to create a unified error-free picket system that frees railway workers from rail systems that violate the integrity of the system, the so-called "cut" pickets and kilometers.

4. Важнейшим моментом предложенной системы координат является связанный с ней синергетический эффект. Производитель работ сможет выбрать начальный участок линейного объекта длиной не более 5 км и выполнит на нем все необходимые проектно-изыскательские работы, используя в качестве исходных координаты точек этого участка. Затем он сместится вдоль участка вперед также не более чем на 5 км, и т.д. Синергетический эффект состоит в сохранности единой глобальной системы координат и подобии плоских геометрических фигур. То есть при скольжении вдоль участка мы всегда получаем план текущей части участка. Это удивительное свойство позволяет отказаться от метода картографического проектирования в принципе. Этот способ абсолютно соответствует требованиям Постановления Правительства.4. The most important aspect of the proposed coordinate system is the synergistic effect associated with it. The manufacturer will be able to select the initial section of the linear object with a length of not more than 5 km and perform all the necessary design and survey work on it, using the coordinates of the points of this section as the initial coordinates. Then it will shift forward along the section also by no more than 5 km, etc. The synergistic effect is the preservation of a single global coordinate system and the likeness of flat geometric shapes. That is, when sliding along the site, we always get a plan of the current part of the site. This amazing property allows you to abandon the method of cartographic design in principle. This method absolutely complies with the requirements of the Government Decree.

Источники информацииInformation sources

1. Патент РФ на изобретение №2287187, 2005 г. Авторы: С.И. Матвеев, В.М. Круглов, А.С. Матвеев и др. «Способ определения эталонной координатной модели железнодорожного пути и устройство для его осуществления».1. RF patent for the invention No. 2287187, 2005. Authors: S.I. Matveev, V.M. Kruglov, A.S. Matveev et al. “A method for determining the reference coordinate model of a railway track and a device for its implementation”.

2. С.И. Матвеев, В.А. Коугия. Высокоточные цифровые модели пути и спутниковая навигация железнодорожного транспорта. М.: Маршрут, 2005, 290 с.2. S.I. Matveev, V.A. Kougia. High-precision digital track models and satellite navigation of railway transport. M .: Route, 2005, 290 p.

3. Б.А. Левин, С.И. Матвеев, И.Н. Розенберг. Теория адаптивных систем навигации и управления движением железнодорожного транспорта на основе глобальной навигационной спутниковой системы ГЛОНАСС и навигационных функций. М.: ВИНИТИ РАН, 2014, 110 с.3. B.A. Levin, S.I. Matveev, I.N. Rosenberg The theory of adaptive navigation and railway traffic control systems based on the GLONASS global navigation satellite system and navigation functions. M .: VINITI RAS, 2014, 110 pp.

Claims (1)

Способ адаптивного формирования единой глобальной системы трехмерных координат непосредственно на эллипсоиде, осуществляемый путем определения эталонной координатной модели пути (ЭКМП), отличающийся тем, что для обеспечения единства измерений на протяжении всех магистралей устанавливают единую, не дающую искажений углов и расстояний систему ортогональных координат непосредственно на эллипсоиде, за счет применения плоских метрических графов малой длины, для этого сначала определяют глобальные трехмерные координаты оси пути измерительно-вычислительным комплексом с интервалом 1 м, получая линейные метровые метрические графы, совпадающие с метровыми векторами или линейными метровыми сплайнами, представляющими собой непрерывные функции. The method of adaptive formation of a single global system of three-dimensional coordinates directly on an ellipsoid, carried out by determining the reference coordinate model of the path (ECMP), characterized in that to ensure the uniformity of measurements along all highways, a single orthogonal coordinate system that does not give distortions of angles and distances directly on the ellipsoid is installed , due to the use of flat metric graphs of small length, for this, first determine the global three-dimensional coordinates of the path axis tionary-computing system with an interval of 1 m to obtain linear meter metric graphs coincide with meter vectors or linear meter spline is a continuous function.

Images