RU2682060C1

RU2682060C1 - Free inertial navigation system of mobile carrier

Info

Publication number: RU2682060C1
Application number: RU2018112115A
Authority: RU
Inventors: Анатолий Георгиевич Щипицын; Анатолий Сергеевич Хмелевский
Original assignee: Анатолий Георгиевич Щипицын; Анатолий Сергеевич Хмелевский
Priority date: 2018-04-03
Filing date: 2018-04-03
Publication date: 2019-03-14

Abstract

FIELD: physics.SUBSTANCE: invention relates to the field of instrumentation and can be used to create free-form inertial navigation systems of mobile carriers. Essence of the invention lies in the fact that, based on the measured signals of eighteen force sensors, further in the built-in computer, five reaction forces of the supports of the central rod are calculated along with the moment of forces relative to the axis coinciding with the direction of the central rod, eighteen inertial information variables are calculated in the local computer using a priori information about the parameters of the inertial sensors and the parameters of their installation on the object, in the on-board computer, fifteen variable navigation information are calculated with the involvement of a priori information about the angular velocity of the Earth, its gravitational field and initial conditions about the orientation, movement and position of the object, and then the function of controlling the motion of the object is calculated with the involvement of a priori information about the program laws of the motion of the object in time.EFFECT: technical result is improving the accuracy of navigation information.1 cl, 6 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано при создании бесплатформенных инерциальных навигационных систем, водящих в состав инерциального навигационного комплекса для высокоскоростного маневренного объекта [1] в качестве бесплатформенной инерциальной навигационной системы подвижного носителя.The invention relates to the field of instrumentation and can be used to create strapdown inertial navigation systems, leading to the composition of the inertial navigation system for a high-speed maneuverable object [1] as a strapdown inertial navigation system of a mobile carrier.

Используемые терминыTerms Used

Для существенного сокращения текста описания и формулы целесообразно перечислить используемые термины применительно к заявляемому устройству:To significantly reduce the text of the description and formula, it is advisable to list the terms used in relation to the claimed device:

Объект - движущееся в пространстве управляемое тело с целенаправленным перемещением из одной области пространства в другую.An object is a controlled body moving in space with purposeful movement from one area of space to another.

Полюс объекта - точка, для которой определяются переменные его поступательного движения - это, как правило, начало связанной с ним системы координат; в частности, полюсом объекта может быть его центр масс.The pole of the object - the point for which the variables of its translational motion are determined - this is, as a rule, the beginning of the coordinate system associated with it; in particular, the pole of an object may be its center of mass.

Датчиковая система координат - система координат, связанная с инерциальным датчиком; в заявляемом устройстве - это система координат, связанная с подвесом (центральным стержнем и боковыми стержнями) для подвижных масс вибраторов, начало которой помещено в «нижний» конец центрального стержня, третья ось направлена вдоль центрального стержня в сторону крепления боковых стержней, вторая ось направлена перпендикулярно плоскости, в которой расположены центральный и боковые стержни датчика, первая ось образуют со второй и третьей осями правую тройку; в датчиковой системе координат заданы массогеометрические параметры инерциального датчика: проекции радиуса-вектора центра масс и компоненты тензора инерции подвеса.Sensor coordinate system - a coordinate system associated with an inertial sensor; in the inventive device is a coordinate system associated with a suspension (the central rod and side rods) for the moving masses of the vibrators, the beginning of which is placed at the "lower" end of the central rod, the third axis is directed along the central rod in the direction of attachment of the side rods, the second axis is perpendicular the plane in which the central and lateral rods of the sensor are located, the first axis forms the right triple with the second and third axes; in the sensor coordinate system, the mass-geometric parameters of the inertial sensor are specified: the projections of the radius-vector of the center of mass and the components of the suspension inertia tensor.

Объектная система координат - связанная с объектом система координат, начало которой совмещено с его полюсом, оси которой направлены в соответствии с задачами управления его движением.An object coordinate system is a coordinate system associated with an object whose origin is aligned with its pole, whose axes are directed in accordance with the tasks of controlling its movement.

Установочная система координат - система координат, связанная с объектом, начало которой помещено в начало датчиковой системы координат, ее третья ось, направленная вдоль центрального стержня, отклонена на два угла относительно объектной системы координат, и вокруг этой отклоненной осуществлен поворот на третий угол; эта система координат введена для построения математической модели динамики инерциального датчика, произвольно установленного на произвольно движущемся в пространстве объекте; путем варьирования численных значений трех указанных выше углов можно установить инерциальный датчик требуемым образом относительно объекта, а также можно требуемым образом установить относительно объекта несколько таких инерциальных датчиков.Installation coordinate system - a coordinate system associated with an object whose origin is placed at the beginning of the sensor coordinate system, its third axis, directed along the central rod, is rejected by two angles relative to the object coordinate system, and a third angle is rotated around this; this coordinate system was introduced to build a mathematical model of the dynamics of an inertial sensor, arbitrarily mounted on an object moving arbitrarily in space; by varying the numerical values of the three angles indicated above, it is possible to install an inertial sensor in the required manner with respect to the object, and it is also possible to establish several such inertial sensors with respect to the object.

Земная географическая система координат - связанная с Землей система координат, начало которой находится на поверхности Земли (в частности, совпадает с точкой начала движения объекта), первая ось направлена на Восток, вторая - на Север, третья - в зенит;The Earth’s geographical coordinate system is the coordinate system connected with the Earth, the origin of which is on the Earth’s surface (in particular, it coincides with the point where the object begins to move), the first axis is directed to the East, the second to the North, the third to the zenith;

Земная геоцентрическая система координат - связанная с Землей система координат, начало которой помещено в центр сферической Земли, оси образуют правую тройку, при этом первая ось пересекает нулевой меридиан, третья ось направлена на Север (вдоль этой оси направлен вектор угловой скорости суточного вращения Земли).The Earth's geocentric coordinate system is a coordinate system connected with the Earth whose origin is placed in the center of a spherical Earth, the axes form the right three, with the first axis crossing the zero meridian, the third axis pointing to the North (the angular velocity vector of the Earth’s daily rotation is directed along this axis).

Инерциальная система координат - связанная с абсолютно неподвижной в пространстве системой отсчета, оси которой образуют правую тройку и в начальный момент времени наблюдения за движением объекта параллельны осям земной геоцентрической системы координат.Inertial coordinate system - associated with a reference frame that is absolutely motionless in space, whose axes form the right three and at the initial moment of time, observations of the object’s movement are parallel to the axes of the earth’s geocentric coordinate system.

Инерциальный датчик - электро-электронно-механическое устройство, выходные сигналы которого зависят от кинематических характеристик движения объекта, от конструктивных характеристик и принципов работы датчика, в заявляемом устройстве - это центральный стержень, с которым жестко связаны два боковых стержня под заданными углами к центральному стержню и расположенные в одной плоскости с центральным стержнем, по концам центрального стержня установлены опорные узлы, каждый из которых представляет собой два торцевых стержня, жестко связанных с центральным стержнем и установленных ему перпендикулярно в плоскости боковых стержней и девять датчиков сил, по три из которых установлены по концам торцевых стержней перпендикулярно центральному стержню и взаимно перпендикулярно, три датчика силы установлены на конце центрального стержня: один - вдоль центрального стержня и два другие - перпендикулярно центральному стержню и плоскости расположения центрального и боковых стержней; все указанные датчики сил контактируют с торцевыми и центральным стержнями, а их противоположные концы жестко контактируют с корпусом инерциального датчика, жестко установленном на объекте; каждый датчик силы выдает сигнал, равный его силе сжатия; на концах боковых стержней установлены вибраторы, точечные массы подвижных элементов которых совершают устойчивые возвратно-поступательные движения вдоль направлений боковых стержней с заданными амплитудами и частотами; выходы датчиков силы подключены ко входу встроенного компьютера по беспроводной технологии передачи информации.An inertial sensor is an electro-electronic-mechanical device, the output signals of which depend on the kinematic characteristics of the object’s movement, on the design characteristics and principles of the sensor’s operation, in the inventive device it is a central rod with which two side rods are rigidly connected at predetermined angles to the central rod and located in the same plane with the central rod, supporting nodes are installed at the ends of the central rod, each of which is two end rods, is rigidly connected with the central rod and installed to it perpendicularly in the plane of the side rods and nine force sensors, three of which are installed at the ends of the end rods perpendicular to the central rod and mutually perpendicular, three force sensors are installed at the end of the central rod: one along the central rod and two others - perpendicular to the central rod and the plane of the central and side rods; all of these force sensors are in contact with the end and central rods, and their opposite ends are rigidly in contact with the body of the inertial sensor, rigidly mounted on the object; each force sensor gives a signal equal to its compression force; vibrators are installed at the ends of the lateral rods, the point masses of the moving elements of which perform stable reciprocating movements along the directions of the lateral rods with given amplitudes and frequencies; the outputs of the force sensors are connected to the input of the built-in computer using wireless technology for transmitting information.

Подвес вибраторов инерциального датчика, называемый также одним словом «подвес» - сборка, состоящая из центрального стержня, к которому жестко закреплены два боковых стержня, расположенных с центральным стержнем в одной плоскости под заданными углами к нему, на концах которых жестко установлены вибраторы с подвижными элементами, а на каждом конце центрального стержня, контактирующем с датчиками сил, жестко установлены по два торцевых стержня, также контактирующих с датчиками сил, установленных указанным выше специальным образом.Inertial sensor vibrator suspension, also called “suspension” in one word, is an assembly consisting of a central rod, to which two side rods are rigidly fixed, located with the central rod in one plane at given angles to it, at the ends of which vibrators with movable elements are rigidly mounted and at each end of the central rod in contact with the force sensors, two end rods are rigidly mounted, also in contact with the force sensors installed in the above-mentioned special way.

Встроенный компьютер - это вычислительное устройство, встроенное в инерциальный датчик или входящее в состав бортового компьютера, в котором хранится информация о структуре инерциального датчика и в который инсталлировано программное обеспечение для процедуры определения сил реакций опор на основе обработки сигналов датчиков сил, то есть вход во встроенный компьютер - это сигналы датчиков сил, а его выход - пять проекций векторов сил реакций опор подвеса и момент сил реакции относительно оси, направленной вдоль центрального стержня.An embedded computer is a computing device that is built into an inertial sensor or is part of the on-board computer, which stores information about the structure of the inertial sensor and in which software is installed for determining the reaction forces of supports based on the processing of force sensor signals, i.e., the input to the built-in the computer is the signals of the force sensors, and its output is five projections of the reaction force vectors of the suspension supports and the moment of reaction forces relative to an axis directed along the central rod.

Первичная информация - это совокупность сигналов датчиков сил, установленных указанным выше способом между осью направления центрального стержня и указанными выше стержнями и корпусами инерциального датчика, жестко связанных с объектом; на основе этой информации вычисляются указанные выше проекции векторов сил реакций опор подвеса вибраторов инерциального датчика.Primary information is a set of signals from force sensors installed by the above method between the axis of direction of the central rod and the above rods and inertial sensor housings that are rigidly connected to the object; Based on this information, the above projections of the reaction force vectors of the suspension supports of the inertial sensor vibrators are calculated.

Датчиковая информация в заявляемом устройстве - это пять проекций векторов сил реакций опор подвеса и момент сил реакции относительно оси, направленной вдоль центрального стержня; эта информация получается путем обработки первичной информации во встроенном компьютере и является его выходом.The sensor information in the inventive device is five projections of the reaction force vectors of the suspension supports and the moment of reaction forces relative to an axis directed along the central rod; this information is obtained by processing the primary information in the embedded computer and is its output.

Инерциальная информация в заявляемом устройстве - это совокупность восемнадцати переменных, вычисляемых на основе первичной информации трех инерциальных датчиков, оси направления центральных стержней которых взаимно перпендикулярны; указанные восемнадцать переменных инерциальной информации -это: три проекции вектора кажущегося ускорения полюса объекта, три проекции вектора абсолютного углового ускорения объекта, три проекции вектора абсолютной угловой скорости объекта и девять произведений проекций вектора абсолютной угловой скорости объекта друг на друга; все указанные проекции векторов - на оси объектной системы координат; определение переменных инерциальной информации сводится к решению системы линейных алгебраических уравнений восемнадцатого порядка.Inertial information in the claimed device is a set of eighteen variables, calculated on the basis of the primary information of three inertial sensors, the axis of direction of the central rods of which are mutually perpendicular; these eighteen variables of inertial information are: three projections of the vector of the apparent acceleration of the pole of the object, three projections of the vector of the absolute angular acceleration of the object, three projections of the vector of the absolute angular velocity of the object and nine products of the projections of the absolute angular velocity of the object onto each other; all indicated projections of vectors are on the axis of the object coordinate system; the definition of inertial information variables is reduced to solving a system of linear algebraic equations of the eighteenth order.

Навигационная информация - переменные, на основе которых осуществляется управление движением объекта, в заявляемом устройстве - это пятнадцать переменных: переменные ориентации объекта от базовой (например, земной географической системы координат) к объектной системе координат (это, например, девять направляющих косинусов), три проекции вектора скорости полюса объекта и три проекции радиуса-вектора полюса объекта (то есть три координаты объекта) в базовой системе координат.Navigation information — the variables on the basis of which the movement of the object is controlled, in the inventive device — these are fifteen variables: the orientation of the object from the base (for example, the Earth’s geographic coordinate system) to the object coordinate system (for example, nine direction cosines), three projections the velocity vector of the object’s pole and three projections of the radius-vector of the object’s pole (that is, the three coordinates of the object) in the base coordinate system.

Функция управления движением объекта - в заявляемом устройстве это сумма средневзвешенных модулей разностей определяемых бесплатформенной инерциальной навигационной системой переменных навигационной информации и соответствующих функций времени, задающих требуемые программные движения объекта, то есть функция управления движением объекта представляет собой рассогласования реальных и программных движений объекта, которые система управления его движением должна сводить к нулю в каждый текущий момент времени.The function of controlling the movement of an object - in the inventive device, this is the sum of the weighted average difference modules determined by the strapdown inertial navigation system of the variables of navigation information and the corresponding time functions that specify the required programmed movements of the object, that is, the function of controlling the movement of the object is a mismatch of real and programmed movements of the object, which are the control system its motion should vanish at every current point in time.

Блок инерциальной информации - устройство, состоящее из трех инерциальных датчиков описанного выше типа и локального компьютера, в котором инсталлировано программное обеспечение для процедуры определения переменных инерциальной информации на основе первичной информации.Inertial information unit - a device consisting of three inertial sensors of the type described above and a local computer in which software is installed for the procedure of determining inertial information variables based on primary information.

Локальный компьютер - вычислительное устройство, встроенное в блок инерциальной информации или входящее в состав бортового компьютера, в котором хранится информация о структуре блока инерциальных датчиков и в который инсталлировано программное обеспечение, входом в которое являются переменные первичной информации, а выходом являются переменные инерциальной информации.Local computer - a computing device built into the inertial information unit or included in the on-board computer, which stores information about the structure of the inertial sensor unit and into which software is installed, the input to which is the variables of the primary information, and the output is the variables of the inertial information.

Бортовой компьютер - вычислительное устройство, в котором хранится априорная информация о гравитационном поле (Земли), базовом вращении (вращении Земли) и начальных условиях об ориентации, движении и положении объекта, входом которого являются переменные инерциальной информации, а выходом - переменные навигационной информации и в который инсталлировано программное обеспечение для процедуры функционирования бесплатформенной инерциальной навигационной системы, то есть для определения переменных навигационной информации и функции управления движением объекта на основе переменных инерциальной и априорной информации; следует отметить, что разделение общего вычислительного устройства (бортового компьютера) бесплатформенной инерциальной навигационной системы на встроенный, локальный и собственно бортовой компьютер является условным с целью удобства пояснения сути вычислительных процедур, реализуемых соответственно в инерциальном датчике, блоке инерциальной информации и собственно в бесплатформенной инерциальной навигационной системе.On-board computer - a computing device that stores a priori information about the gravitational field (of the Earth), the basic rotation (rotation of the Earth) and the initial conditions about the orientation, movement and position of the object, the input of which are variables of inertial information, and the output is the variables of navigation information and which installed the software for the operation procedure of the strapdown inertial navigation system, that is, to determine the variables of navigation information and the control function detecting movement of an object based on variables inertial and a priori information; it should be noted that the separation of the general computing device (on-board computer) of the strapdown inertial navigation system into an integrated, local and actually on-board computer is conditional for the purpose of convenience of explaining the essence of the computational procedures implemented respectively in the inertial sensor, inertial information unit and actually in the strapdown inertial navigation system .

Блок вычисления функции управления движением объекта - вычислительное устройство, в котором осуществляется вычисление функции управления движением объекта, представляющей собой средневзвешенное относительное рассогласование в каждый текущий момент времени между переменными навигационной информации, генерируемыми бесплатформенной инерциальной навигационной системой и априорно заданными функциями времени этих же переменных; вход в этот блок - это выход бесплатформенной инерциальной навигационной системы, а выход - это указанная функция времени, поступающая на вход системы управления движением объекта; следует заметить, что указанный блок вычисления функции управления движением объекта выделен здесь отдельно для удобства пояснения сути осуществляемых в нем вычислительных операций, а реально он может входить в общее вычислительное устройство, например, в бортовой компьютер.An object motion control function calculation unit is a computing device in which the object motion control function is calculated, which is a weighted average relative mismatch at each current time between the navigation information variables generated by the strapdown inertial navigation system and a priori given time functions of the same variables; the entrance to this block is the output of the strapdown inertial navigation system, and the output is the indicated time function, which is input to the object’s motion control system; it should be noted that the indicated block for calculating the motion control function of the object is highlighted here separately for convenience of explaining the essence of the computing operations carried out in it, but in reality it can be included in a general computing device, for example, on-board computer.

Бесплатформенная инерциальная навигационная система - электро-электронно-механическое устройство, состоящее из блока инерциальной информации, подключенного к бортовому компьютеру, выходом которого являются переменные навигационной информации и функция управления движением объекта, поступающие на вход системы управления движением объекта.A strapdown inertial navigation system is an electro-electronic-mechanical device consisting of an inertial information unit connected to an on-board computer, the output of which is navigation information variables and an object’s motion control function, which are input to the object’s motion control system.

Функционирование бесплатформенной инерциальной навигационной системы - процесс получения навигационной информации об ориентации объекта в системе координат, в которой решается задача навигации и управления им (например, направляющих косинусах от земной системы координат к объектной системе координат), движении объекта (проекций вектора скорости полюса объекта в земной системе координат), положении объекта (проекций радиуса-вектора полюса объекта в земной системе координат) и функции управления движением объекта на основе обработки первичной информации с привлечением априорной информации о гравитационном поле Земли, вращении Земли и начальных ориентации, движении и положении объекта относительно Земли.The operation of a strapdown inertial navigation system is the process of obtaining navigation information about the orientation of an object in a coordinate system, in which the problem of navigation and its control (for example, directing cosines from the earth coordinate system to the object coordinate system) is solved, the object moves (projections of the object’s pole velocity vector in the earth coordinate system), the position of the object (projections of the radius-vector of the pole of the object in the Earth's coordinate system) and the function of controlling the movement of the object based on processing primary information with the use of a priori information about the Earth’s gravitational field, the Earth’s rotation and the initial orientation, movement and position of the object relative to the Earth.

Идентификация параметров инерциального датчика - процедура определения реальных конструктивных параметров инерциального датчика, основанная на его стендовых испытаниях, физически моделирующих поступательные и угловые движения объекта с обработкой получаемой при этих испытаниях первичной информации с последующим вычислением параметров инерциального датчика; для этой процедуры требуется разработка соответствующего программного обеспечения.Identification of inertial sensor parameters - a procedure for determining the real structural parameters of an inertial sensor based on its bench tests, physically modeling the translational and angular movements of the object with processing of the primary information obtained during these tests, followed by calculation of the parameters of the inertial sensor; this procedure requires the development of appropriate software.

Массогеометрические характеристики инерциального датчика - в заявляемом устройстве - это постоянные во времени параметры: расстояние между опорами, вибрирующие точечные массы, координаты центра масс подвеса и компоненты тензора инерции подвеса, состоящего из центрального стержня, боковых стержней, торцевых стержней и корпусов вибраторов, в датчиковой системе координат.The mass-geometrical characteristics of the inertial sensor in the inventive device are time-constant parameters: the distance between the supports, the vibrating point masses, the coordinates of the center of mass of the suspension and the components of the inertia tensor of the suspension, consisting of a central rod, side rods, end rods and vibrator bodies, in the sensor system coordinates.

Уровень техникиState of the art

Известна бесплатформенная инерциальная навигационная система, построенная на трех взаимно ортогональных датчиках угловой скорости и трех взаимно ортогональных акселерометрах, выходы которых подключены к бортовому компьютеру, в котором вычисляются переменные навигационной информации и функция управления движением объекта [2, 3, 4].Known strapdown inertial navigation system built on three mutually orthogonal angular velocity sensors and three mutually orthogonal accelerometers, the outputs of which are connected to the on-board computer, in which the variables of navigation information and the function of controlling the movement of the object are calculated [2, 3, 4].

Недостатком этого устройства является невозможность его использования для навигационных измерений в составе инерциального навигационного комплекса для высокоскоростного маневренного объекта [1].The disadvantage of this device is the inability to use it for navigation measurements as part of an inertial navigation complex for a high-speed maneuverable object [1].

Известен способ построения инерциальной навигационной системы [5], заключающийся в установке на объекте бесплатформенной инерциальной навигационной системы, состоящей из блока инерциальной информации, в состав которого входят один датчик углового движения (например, датчик угловой скорости) и один датчик поступательного движения (например, акселерометр), блок инерциальной информации жестко закреплен на оси, приводящейся во вращение двигателем и снабженной тахометром для измерения ее угловой скорости относительно объекта, во время движения объекта измеряют сигналы указанных датчиков в окрестностях координатных осей связанной с объектом системы координат и далее обрабатывают их с привлечением необходимой априорной информации для получения переменных навигационной информации. Известны также и усовершенствования [6, 7, 8] этого способа путем установки датчиков сил на оси вращения и соответствующей обработки измерительной информации. В изобретениях [5, 6, 7, 8] по способам построения инерциальных навигационных систем зафиксирована идея уменьшения количества инерциальных датчиков в системе путем принудительного вращения акселерометра относительно стабилизированной платформы или принудительного вращения относительно объекта двух датчиков, один из которых - акселерометр, второй - датчик угловой скорости. Если в дополнение к этим способам установить на оси вращения датчики сил, то измеряемая ими информация и ее обработка позволит получить избыточную инерциальную информацию с целью использования ее для повышения точности навигационной информации. Область применения таких систем ограничена объектами с медленно-меняющимися или с программно-меняющимися кинематическими характеристиками, то есть такие системы невозможно использовать для навигационных измерений в составе инерциального навигационного комплекса для высокоскоростного маневренного объекта [1].A known method of constructing an inertial navigation system [5], which consists in installing on-site inertial inertial navigation system consisting of an inertial information unit, which includes one angular motion sensor (for example, an angular velocity sensor) and one translational motion sensor (for example, an accelerometer ), the inertial information unit is rigidly fixed to the axis, driven by the engine and equipped with a tachometer to measure its angular velocity relative to the object, while The object’s measurements measure the signals of these sensors in the vicinity of the coordinate axes of the coordinate system associated with the object and then process them using the necessary a priori information to obtain navigation information variables. Improvements [6, 7, 8] of this method are also known by installing force sensors on the axis of rotation and the corresponding processing of measurement information. In inventions [5, 6, 7, 8] on methods for constructing inertial navigation systems, the idea of reducing the number of inertial sensors in the system by forcing the accelerometer to rotate relatively to a stable platform or to rotate two sensors relative to the object, one of which is an accelerometer, the second is an angular sensor speed. If, in addition to these methods, force sensors are installed on the axis of rotation, then the information they measure and its processing will make it possible to obtain excessive inertial information in order to use it to increase the accuracy of navigation information. The scope of such systems is limited to objects with slowly varying or with program-changing kinematic characteristics, that is, such systems cannot be used for navigation measurements as part of an inertial navigation complex for a high-speed maneuverable object [1].

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Задачей заявляемого устройства является обеспечение функциональных и точных навигационных измерений для высокоскоростного маневренного объекта, которое может быть использовано в качестве бесплатформенной инерциальной навигационной системы подвижного носителя [1].The objective of the claimed device is to provide functional and accurate navigation measurements for a high-speed maneuverable object, which can be used as a strapdown inertial navigation system of a mobile carrier [1].

Решение поставленной задачи основано на следующих идеях: 1) использование нескольких однотипных инерциальных датчиков для построения блока инерциальной информации; 2) использование в качестве основного элемента инерциального датчика подвеса, состоящего из центрального стержня и двух боковых стержней, составляющих одну плоскость с центральным стержнем и жестко закрепленных на центральном стержне под заданными углами к нему, а на концах боковых стержней установлены вибраторы [9], обеспечивающие возвратно-поступательные движения точечным массам их подвижных элементов в направлениях этих стержней; центральный стержень своими торцами установлен в опорные узлы, каждый из которых представляет собой сборку из двух торцевых стержней и девяти работающих на сжатие датчиков сил [10, 11]; два торцевых стержня жестко связанны с центральным стержнем, перпендикулярны ему и лежат в плоскости боковых стержней; к свободным концам каждого торцевого стержня прижаты три датчика силы, лежащих в плоскости, перпендикулярной центральному стрежню и один из которых направлен вдоль торцевого стержня, а два других перпендикулярны торцевому стержню; к концу центрального стержня прижаты еще три датчика силы, один из которых направлен вдоль центрального стержня, а два других направлены перпендикулярно центральному стержню и плоскости боковых стержней; установленные указанным способом датчики сил в опорных узлах инерциального датчика позволяют на основе их сигналов определить реакции опор подвеса; 3) идентификация параметров каждого инерциального датчика в блоке инерциальной информации и использование величин этих параметров при вычислении переменных инерциальной информации в течение всего интервала времени навигационных измерений.The solution to this problem is based on the following ideas: 1) the use of several of the same type of inertial sensors to build a block of inertial information; 2) use as the main element of the inertial sensor of the suspension, consisting of a central rod and two side rods that make up the same plane with the central rod and rigidly fixed to the central rod at predetermined angles to it, and vibrators are installed at the ends of the side rods [9], which provide reciprocating movements to the point masses of their moving elements in the directions of these rods; the central rod with its ends is installed in the support nodes, each of which is an assembly of two end rods and nine force sensors working for compression [10, 11]; two end rods are rigidly connected to the central rod, perpendicular to it and lie in the plane of the side rods; three force sensors are pressed to the free ends of each end rod, lying in a plane perpendicular to the central rod and one of which is directed along the end rod, and the other two are perpendicular to the end rod; three more force sensors are pressed to the end of the central rod, one of which is directed along the central rod, and the other two are directed perpendicular to the central rod and the plane of the side rods; force sensors installed in the indicated way in the reference nodes of the inertial sensor allow, based on their signals, to determine the reactions of the suspension supports; 3) identification of the parameters of each inertial sensor in the inertial information unit and the use of the values of these parameters in the calculation of inertial information variables during the entire time interval of navigation measurements.

Поставленная задача решается тем, что бесплатформенная инерциальная навигационная система состоит из трех инерциальных датчиков, каждый из которых состоит из подвеса, двух вибраторов, восемнадцати датчиков сил и встроенного компьютера, выходом которого являются проекции сил реакций опор подвеса; подвес инерциального датчика - это центральный стержень, с которым жестко связаны два боковых стержня под заданными углами к центральному стержню и расположенные в одной плоскости с центральным стержнем, по концам центрального стержня установлены опорные узлы, каждый из которых представляет собой два торцевых стержня, жестко связанных с центральным стержнем и установленных ему перпендикулярно в плоскости боковых стержней и девять датчиков сил, по три из которых установлены по концам торцевых стержней перпендикулярно центральному стержню и взаимно перпендикулярно, и три датчика силы установлены на конце центрального стержня: один - вдоль центрального стержня и два другие - перпендикулярно центральному стержню и плоскости расположения центрального и боковых стержней; все указанные датчики сил контактируют с торцевыми и центральным стержнями, а их противоположные концы жестко контактируют с корпусом инерциального датчика, жестко установленном на объекте; каждый датчик силы выдает сигнал, равный его силе сжатия; точечные массы подвижных элементов вибраторов, установленных на боковых стержнях инерциального датчика, совершают устойчивые возвратно-поступательные движения вдоль направлений боковых стержней с заданными амплитудами и частотами; выходы датчиков сил подключены ко входу встроенного компьютера по беспроводной технологии передачи информации.The problem is solved in that the strapdown inertial navigation system consists of three inertial sensors, each of which consists of a suspension, two vibrators, eighteen force sensors and an integrated computer, the output of which is the projection of the reaction forces of the suspension supports; an inertial sensor suspension is a central rod with which two side rods are rigidly connected at predetermined angles to the central rod and are located in the same plane with the central rod, support nodes are installed at the ends of the central rod, each of which is two end rods rigidly connected to a central rod and nine lateral force sensors installed perpendicularly in the plane of the side rods, three of which are installed at the ends of the end rods perpendicular to the central shaft zhnyu and mutually perpendicularly, and three force sensor mounted on the end of the central rod - one along the central rod and the other two - perpendicular to the central shaft and the plane of the center and side cores; all of these force sensors are in contact with the end and central rods, and their opposite ends are rigidly in contact with the body of the inertial sensor, rigidly mounted on the object; each force sensor gives a signal equal to its compression force; the point masses of the moving elements of the vibrators mounted on the lateral rods of the inertial sensor make stable reciprocating movements along the directions of the lateral rods with given amplitudes and frequencies; the outputs of the force sensors are connected to the input of the embedded computer using wireless technology for transmitting information.

На основе измеряемых сигналов восемнадцати датчиков сил далее последовательно: 1) во встроенном компьютере вычисляются пять сил реакций опор центрального стержня и момент сил относительно оси, совпадающей с направлением центрального стержня, 2) в локальном компьютере вычисляются восемнадцать переменных инерциальной информации с привлечением априорной информации о параметрах инерциальных датчиков и параметрах их установки на объекте, 3) в бортовом компьютере вычисляются пятнадцать переменных навигационной информации с привлечением априорной информации об угловой скорости Земли, ее гравитационном поле и начальных условиях об ориентации, движении и положении объекта, а затем вычисляется функция управления движением объекта с привлечением априорной информации о программных законах движения объекта во времени. Подача сигналов датчиков сил в локальный компьютер осуществляется по беспроводной технологии передачи информации [12].Based on the measured signals of eighteen force sensors, then sequentially: 1) five reaction forces of the central rod supports and the moment of forces relative to the axis coinciding with the direction of the central rod are calculated in the embedded computer; 2) eighteen variables of inertial information are calculated in the local computer using a priori information about the parameters inertial sensors and their installation parameters at the facility, 3) in the on-board computer, fifteen variables of navigation information are calculated using prior information about the angular velocity of the Earth, its gravitational field and initial conditions about the orientation, movement and position of the object, and then the function of controlling the movement of the object is calculated with the help of a priori information about the software laws of motion of the object in time. The supply of signals from force sensors to the local computer is carried out using wireless technology for transmitting information [12].

Осуществление изобретенияThe implementation of the invention

На фиг. 1 показана схема инерциального датчика, построенного на основе стержневого подвеса с двумя вибраторами, установленного в двух опорах, в каждую из которых вмонтированы по девять датчиков сил. Инерциальный датчик (фиг. 1) является одним из нескольких (не менее трех) инерциальных датчиков, входящих в состав бесплатформенной инерциальной навигационной системы. Подвес инерциального датчика состоит из центрального стержня 1, к которому жестко прикреплены два боковых стержня 2 под заданными углами к центральному стержню и находящимися в одной плоскости с ним. На концах боковых стержней установлены вибраторы 3, обеспечивающие устойчивые возвратно-поступательные движения подвижным элементам с заданными амплитудами частотами. По торцам центрального стержня установлены опорные узлы 4 и 5, в каждый из которых вмонтировано девять датчиков сил (расположение которых показано на фиг. 4). Датчик силы представляет собой работающий на сжатие пьезоэлектрический элемент [10, 11], сигнал которого пропорционален действующей на него силы сжатия. Каждый датчик силы предварительно поджат и выставлен на нуль его сигал в этом предварительно поджатом состоянии из того условия, что при уменьшении силы сжатия у него появляется сигнал, соответствующий силе противоположного направления по отношению к силе, обеспечивающей его предварительное поджатие. Указанное предварительное поджатие каждого датчика силы рассчитано таким образом, что эти датчики способны измерять весь диапазон сил, обусловленных движением объекта, для которого предназначена бесплатформенная инерциальная навигационная система. Каждый датчик силы подключен к встроенному компьютеру 6, в котором на основе сигналов восемнадцати датчиков сил (первичной информации) вычисляют реакции опор центрального стержня: три проекции F_i (i=1, 2, 3) вектора силы реакции нижней опоры, две проекции N_j (j=1, 2) вектора силы верхней опоры и момента сил М относительно направления центрального стержня в установочной системе координат. Инерциальный датчик, схема которого изображена на фиг. 1, пронумерован позицией 7.In FIG. 1 shows a diagram of an inertial sensor built on the basis of a rod suspension with two vibrators installed in two supports, in each of which nine force sensors are mounted. The inertial sensor (Fig. 1) is one of several (at least three) inertial sensors that are part of the strapdown inertial navigation system. The suspension of the inertial sensor consists of a central rod 1 to which two side rods 2 are rigidly attached at predetermined angles to the central rod and are in the same plane with it. Vibrators 3 are installed at the ends of the side rods, providing stable reciprocating movements to the movable elements with the given frequencies amplitudes. At the ends of the central rod, support nodes 4 and 5 are installed, in each of which nine force sensors are mounted (the location of which is shown in Fig. 4). The force sensor is a piezoelectric element operating on compression [10, 11], the signal of which is proportional to the compression force acting on it. Each force sensor is pre-energized and its signals are set to zero in this pre-energized state, provided that when the compression force decreases, a signal appears corresponding to a force of the opposite direction with respect to the force providing its preliminary preload. The indicated preliminary preload of each force sensor is designed so that these sensors are capable of measuring the entire range of forces caused by the movement of the object for which the strapdown inertial navigation system is intended. Each force sensor is connected to the built-in computer 6, in which, based on the signals of eighteen force sensors (primary information), the reactions of the central rod supports are calculated: three projections F _i (i = 1, 2, 3) of the reaction force vector of the lower support, two projections N _j (j = 1, 2) of the force vector of the upper support and the moment of forces M relative to the direction of the central rod in the installation coordinate system. An inertial sensor, the circuit of which is shown in FIG. 1, numbered 7.

На фиг. 2 изображена схема блока инерциальной информации, построенного на трех инерциальных датчиках 7 указанного выше типа, подключенных к локальному компьютеру 8. С корпусом блока инерциальной информации связана объектная система координат O_YY₁Y₂Y₃. Выходная информация встроенных компьютеров каждого инерциального датчика подана на вход локального компьютера 8, выходная информация которого - это восемнадцать переменных x_i, i=1, … 18 инерциальной информации и в котором осуществляются вычисления этих переменных на основе вычисленных во встроенных компьютерах трех инерциальных датчиков реакций опор подвеса Блок инерциальной информации, изображенный на фиг. 2, пронумерован позицией 9.In FIG. 2 shows a diagram of an inertial information unit built on three inertial sensors 7 of the above type, connected to a local computer 8. An object coordinate system O _Y Y ₁ Y ₂ Y _{3 is} connected to the body of the inertial information unit. The output information of the built-in computers of each inertial sensor is fed to the input of the local computer 8, the output of which is eighteen variables x _i , i = 1, ... 18 of inertial information and in which these variables are calculated based on the three inertial sensors of reaction reactions calculated in the built-in computers suspension The inertial information unit shown in FIG. 2, numbered 9.

На фиг. 3. изображена бесплатформенная инерциальная навигационная система, состоящая из последовательно соединенных блока инерциальной информации 9, бортового компьютера 10 и блока 11 вычисления функции управления движением объекта. Совокупность перечисленных устройств 9, 10, 11 и представляет собой бесплатформенную инерциальную навигационную систему 12, установленную на объекте 13, движущемся относительно Земли 14. Выходной информацией блока инерциальной информации 9 являются переменные x_i, i=1, … 18 инерциальной информации, поступающие из локального компьютера 8 на вход бортового компьютера 10, в котором хранится априорная информация о вращении Земли, ее гравитационном поле и начальных условиях об ориентации, движении и положении объекта. Выходная информация бортового компьютера 10 - это вычисляемые в каждый текущий момент времени движения объекта пятнадцать переменных навигационной информации: девять направляющих косинусов C_ij, i,j=1, 2, 3 от земной географической к объектной системе координат, три проекции V_i, i=1, 2, 3 вектора скорости полюса объекта и три проекции R_i, i=1, 2, 3 радиуса-вектора полюса объекта в земной географической системе координат. Указанные переменные навигационной информации поступают на вход блока 11 вычисления функции F управления движением объекта, которая далее подается в систему управления его движением относительно Земли.In FIG. 3. depicts a strapdown inertial navigation system consisting of a series of inertial information unit 9, an on-board computer 10 and an object movement control function calculation unit 11. The combination of the listed devices 9, 10, 11 is a strapdown inertial navigation system 12 installed on an object 13 moving relative to the Earth 14. The output information of the inertial information unit 9 is the variables x _i , i = 1, ... 18 of the inertial information coming from the local computer 8 to the input of the on-board computer 10, which stores a priori information about the rotation of the Earth, its gravitational field and the initial conditions about the orientation, movement and position of the object. The output information of the on-board computer 10 is fifteen variables of navigation information calculated at each current instant of the object’s movement: nine direction cosines C _ij , i, j = 1, 2, 3 from the Earth’s geographic to the object coordinate system, three projections V _i , i = 1, 2, 3 of the velocity vector of the pole of the object and three projections R _i , i = 1, 2, 3 of the radius vector of the pole of the object in the earth's geographic coordinate system. The indicated variables of the navigation information are input to the block 11 for calculating the function F of controlling the movement of the object, which is then fed to the control system for its movement relative to the Earth.

На фиг. 4 представлена схема опорных узлов стержневого подвеса вибраторов инерциального датчика с наименованиями каждого из четырех торцевых стержней и каждого из восемнадцати датчиков сил: математическое описание обработки информации, получаемой с указанных опорных узлов приведено далее в тексте описания.In FIG. 4 is a diagram of the support nodes of the rod suspension of the inertial sensor vibrators with the names of each of the four end rods and each of the eighteen force sensors: a mathematical description of the processing of information received from these support nodes is given later in the description text.

На фиг. 5 изображена блок-схема алгоритма функционирования бесплатформенной инерциальной навигационной системы, краткое математическое описание для которого приведено далее.In FIG. 5 shows a block diagram of an algorithm for the operation of a strapdown inertial navigation system, a brief mathematical description of which is given below.

На фиг. 6 изображена блок-схема алгоритма функционирования имитационной модели бесплатформенной инерциальной навигационной системы, краткое математическое описание для которого приведено далее.In FIG. Figure 6 shows a block diagram of an algorithm for operating a simulation model of a strapdown inertial navigation system, a brief mathematical description of which is given below.

Устройство работает следующим образомThe device operates as follows

Для пояснения работы заявляемого устройства необходимо привести краткое пояснение математических описаний функционирования инерциального датчика, бока инерциальной информации и бесплатформенной инерциальной навигационной системы.To explain the operation of the claimed device, it is necessary to provide a brief explanation of the mathematical descriptions of the functioning of the inertial sensor, the side of inertial information and strapdown inertial navigation system.

Рассмотрим инерциальный датчик (фиг. 1) как механическую систему, представляющую собой установленный на произвольно движущемся в инерциальном пространстве объекте подвес вибраторов, центральный стержень которого своими торцами установлен в опорные узлы, а на концах боковых стержней установлены вибраторы с подвижными элементами, каждый из которых совершает заданное возвратно-поступательное движение в направлении своего бокового стержня. Освобождая указанную механическую систему от связей - опорных узлов, заменяя эти связи соответствующими реакциями и применяя к этой механической системе теорему об изменении главного вектора количеств движения и теорему об изменении главного момента количеств движения относительно точки O_J, принадлежащей инерциальной системе отсчета, составляем шесть скалярных уравнений:Consider the inertial sensor (Fig. 1) as a mechanical system, which is a vibrator suspension mounted on an object randomly moving in an inertial space, the central rod of which is mounted with its ends in the support nodes, and vibrators with movable elements are installed at the ends of the side rods, each of which makes predetermined reciprocating movement in the direction of its side shaft. Releasing the indicated mechanical system from bonds — supporting nodes, replacing these bonds with corresponding reactions, and applying to this mechanical system the theorem on the change in the principal vector of momentum and the theorem on the change in the principal moment of momentum relative to the point O _J belonging to the inertial reference frame, we compose six scalar equations :

где Ωi, εi,W_i - проекции на оси объектной системы координат соответственно векторов абсолютной угловой скорости, абсолютного углового ускорения и кажущегося ускорения полюса объекта;

- коэффициенты, зависящие от параметров установки инерциального датчика на объекте: координат начал датчиковой системы координат и углов установки подвеса инерциального датчика относительно объекта, массогеометрических характеристик инерциального датчика и законов во времени возвратно-поступательных движений подвижных элементов вибраторов. (Авторами получены формулы для этих коэффициентов от указанных параметров инерциального датчика и законов движения точечных масс подвижных элементов вибраторов и могут быть представлены эксперту по его требованию.) Правые части уравнений (1) имеют выражения:where Ωi, εi, W _i are the projections on the axis of the object coordinate system, respectively, the vectors of absolute angular velocity, absolute angular acceleration and apparent acceleration of the pole of the object;

- coefficients depending on the installation parameters of the inertial sensor on the object: the coordinates of the beginning of the sensor coordinate system and the installation angles of the suspension of the inertial sensor relative to the object, the mass-geometric characteristics of the inertial sensor and the laws in time of the reciprocating movements of the moving elements of the vibrators. (The authors obtained formulas for these coefficients from the indicated parameters of the inertial sensor and the laws of motion of the point masses of the moving elements of the vibrators and can be presented to the expert upon his request.) The right sides of equations (1) have the expressions:

где F_i- силы реакции «нижней» O_F (по фиг. 1) опоры (i=1, 2, 3); N_i - силы реакций «верхней» O_N (по фиг. 1) опоры оси вращения ротора (i=1, 2); D_ij - символ Кронеккера; М - момент сил реакции опор; h - расстояние между опорами O_F, O_N (далее обозначения указаны на фиг. 4), m_k - масса подвижного элемента вибратора M_k, k=1, 2; L^k _j - проекции радиус-вектора точки вибратора, являющейся началом отсчета колебаний подвижного элемента вибратора M_k, k=1, 2 относительно точки O_F, являющейся началом датчиковой системы координат на, оси этой системы координат, j=1, 2, 3;

- вторая производная по времени от проекции r^k _j радиус-вектора положения подвижной массы вибратора M_k относительно начала отсчета ее колебаний на оси датчиковой системы координат. Заметим, что проекции L^k _j,

являются заданными функциями времени.where F _i - reaction forces of the "lower" O _F (in Fig. 1) support (i = 1, 2, 3); N _i - reaction forces of the “upper” O _N (in Fig. 1) bearings of the axis of rotation of the rotor (i = 1, 2); D _ij is the Kronecker symbol; M is the moment of reaction forces of the supports; h is the distance between the supports O _F , O _N (hereinafter, the designations are shown in Fig. 4), m _k is the mass of the movable element of the vibrator M _k , k = 1, 2; L ^k _j - projections of the radius vector of the vibrator point, which is the origin of the vibrations of the vibrator’s moving element M _k , k = 1, 2 relative to the point O _F , which is the beginning of the sensor coordinate system on the axis of this coordinate system, j = 1, 2, 3 ;

- the second time derivative of the projection r ^k _{j of the} radius vector of the position of the moving mass of the vibrator M _k relative to the origin of its oscillations on the axis of the sensor coordinate system. Note that the projections L ^k _j ,

are given functions of time.

Обозначая символом r_ij величину сигнала датчика силы S_ij (фиг. 4) в размерности силы, то есть с учетом соответствующих коэффициентов пропорциональности, записываем зависимости указанных реакций опор оси вращения от сигналов датчиков сил:Denoting by the symbol r _{ij the} value of the signal of the force sensor S _ij (Fig. 4) in the dimension of force, that is, taking into account the corresponding proportionality coefficients, we write down the dependences of the indicated reactions of the supports of the axis of rotation on the signals of the force sensors:

где L_F1, L_F2, L_N1, L_N2 - длины соответственно торцевых стержней C_F1, C_F2, C_N1, C_N2 (фиг. 4). Уравнения (1) и зависимости (3) записаны для одного инерциального датчика, установленного направлением центрального стержня инерциального датчика по одной из координатных осей объектной системы координат. Аналогичные зависимости будут иметь место для двух других инерциальных датчиков, установленных осями их центральных стержней по двум другим координатным осям объектной системы координат (фиг. 2).where L _F1 , L _F2 , L _N1 , L _N2 are the lengths of the end rods C _F1 , C _F2 , C _N1 , C _N2 , respectively (Fig. 4). Equations (1) and dependences (3) are written for one inertial sensor established by the direction of the central rod of the inertial sensor along one of the coordinate axes of the object coordinate system. Similar dependencies will take place for two other inertial sensors installed by the axes of their central rods along two other coordinate axes of the object coordinate system (Fig. 2).

Список переменных величин и параметров инерциального датчика, а также параметров его установки на объекте, от которых зависят коэффициенты уравнений (1):The list of variables and parameters of the inertial sensor, as well as the parameters of its installation on the object, on which the coefficients of equations (1) depend:

n_k - масса подвижного элемента вибратора M_k;n _k is the mass of the movable element of the vibrator M _k ;

- компоненты тензора инерции подвеса вибраторов: всех стрежней и корпусов вибраторов в датчиковой системе координат;

- components of the inertia tensor of the suspension of the vibrators: all rods and cases of the vibrators in the sensor coordinate system;

ρ_j - проекции радиуса-вектора центра масс подвеса вибраторов в датчиковой системе координат;ρ _j - projection of the radius vector of the center of mass of the suspension of the vibrators in the sensor coordinate system;

h - расстояние между опорами O_F, O_N;h is the distance between the supports O _F , O _N ;

r₀ - расстояние между началом O_F датчиковой системы координат и точкой О крепления боковых стержней к центральному стержню (фиг. 4);r ₀ is the distance between the beginning O _{F of the} sensor coordinate system and the point O of fastening the side rods to the central rod (Fig. 4);

α_k - угол наклона бокового стержня к центральному, k=1, 2;α _k is the angle of inclination of the lateral rod to the central one, k = 1, 2;

p_k - расстояние от точки О до точки начала отсчета перемещения подвижного элемента вибратора M_k, k=1, 2;p _k is the distance from point O to the point of origin of movement of the moving element of the vibrator M _k , k = 1, 2;

q_k - закон колебательного движения во времени подвижного элемента вибратора M_k вдоль направления бокового стержня, на котором установлен этот вибратор; этот закон зависит от амплитуды и частоты колебаний, k=1, 2;q _k - the law of oscillatory motion in time of the moving element of the vibrator M _k along the direction of the side rod on which the vibrator is mounted; this law depends on the amplitude and frequency of oscillations, k = 1, 2;

- первая производная по времени от q_k;

is the first time derivative of q _k ;

- вторая производная по времени от q_k;

- the second time derivative of q _k ;

L_j - проекции радиуса-вектора начала O_F датчиковой системы координат относительно начала O_Y объектной системы координат на оси объектной системы координат, j=1, 2, 3;L _j - the projection of the radius vector of the origin O _{F of the} sensor coordinate system relative to the origin O _{Y of the} object coordinate system on the axis of the object coordinate system, j = 1, 2, 3;

B_j - углы установки инерциального датчика относительно объектной системы координат, j=1, 2, 3.B _j - the installation angles of the inertial sensor relative to the object coordinate system, j = 1, 2, 3.

Следует выделить пять замечаний.Five points should be highlighted.

Первое. Преимущество построения бесплатформенной инерциальной навигационной системы на однотипных инерциальных датчиках по сравнению с построением той же системы на разнотипных инерциальных датчиках, например, на трех гироскопических датчиках угловой скорости и трех кварцевых акселерометрах, заключается в изготовлении однотипных инерциальных датчиков в рамках одной технологической культуры, а поэтому генерируемые этими инерциальными датчиками переменные первичной информации, а следовательно и переменные инерциальной информации, имеют одинаковую точность; в заявляемом устройстве первичная информация - это силы реакций опор подвеса вибраторов, инерциальная информация - это проекции векторов кажущегося ускорения полюса объекта, абсолютной угловой скорости и абсолютного углового ускорения объекта на оси датчиковой системы координат.The first one. The advantage of building a strap-down inertial navigation system on the same type of inertial sensors compared to building the same system on different types of inertial sensors, for example, three gyroscopic angular velocity sensors and three quartz accelerometers, is to produce the same type of inertial sensors within the same technological culture, and therefore generated with these inertial sensors, the variables of primary information, and hence the variables of inertial information, have dinakovuyu accuracy; in the claimed device, the primary information is the reaction forces of the suspension supports of the vibrators, inertial information is the projection of the vectors of the apparent acceleration of the object’s pole, absolute angular velocity and absolute angular acceleration of the object on the axis of the sensor coordinate system.

Второе. Подвес инерциального датчика, состоящий из жестко связанных центрального стержня, боковых стержней, торцевых стержней и корпусов вибраторов, установленных на концах боковых стержней, представляет собой твердое тело, которое в общем случае не является статически и динамически отбалансированным, то есть оно имеет произвольные массогеометрические характеристики: координаты центра масс и произвольные компоненты его тензора инерции: три осевых и три центробежных момента инерции. Для превращения такого подвеса в инерциальный датчик, его снабжают опорными узлами с установленными указанным выше способом датчиками сил. На основе измерений сигналов датчиков сил вычисляются указанные выше переменные инерциальной информации. Точность переменных инерциальной информации будет зависеть от точности идентификации массогеометрических характеристик подвеса, от точности задания точечных масс подвижных элементов вибраторов и от точности измерений сигналов датчиков сил.The second one. The inertial sensor suspension, consisting of rigidly connected central rod, side rods, end rods and vibrator housings mounted at the ends of the side rods, is a solid body, which in the general case is not statically and dynamically balanced, that is, it has arbitrary mass-geometric characteristics: coordinates of the center of mass and arbitrary components of its inertia tensor: three axial and three centrifugal moments of inertia. To turn such a suspension into an inertial sensor, it is equipped with support units with force sensors installed in the manner described above. Based on the measurements of the signals of the force sensors, the above variables of inertial information are calculated. The accuracy of the inertial information variables will depend on the accuracy of identification of the mass-geometric characteristics of the suspension, on the accuracy of setting the point masses of the moving elements of the vibrators and on the accuracy of the measurements of the signals of the force sensors.

Третье. Все вышеперечисленные параметры инерциального датчика должны быть настолько точно идентифицированы, насколько это позволяют существующие современные средства стендовых испытаний, соответствующих этим стендам измерений и обработки информации, так как от точности идентификации параметров инерциальных датчиков будет зависеть точность вычисляемых величин реакций опор подвеса во встроенном компьютере, переменных инерциальной информации в локальном компьютере и переменных навигационной информации в бортовом компьютере.The third. All of the above parameters of the inertial sensor should be identified as accurately as possible with existing modern bench test tools that correspond to these measurement and information processing stands, since the accuracy of the calculated parameters of the inertial sensors will depend on the accuracy of the calculated reaction values of the suspension supports in the built-in computer, inertial variables information in the local computer; and navigation information variables in the on-board computer.

Четвертое. Уравнения (1) для рассматриваемого инерциального датчика получены при произвольных величинах его параметров и при произвольной его установке на произвольно движущийся в пространстве объект. Если принять величины параметров инерциального датчика не произвольными, а удовлетворяющими некоторым ограничениям, достигаемым специальными конструктивными разработками, а также установить его не произвольным, а частным образом на объект, который совершает не произвольное, а некоторое частное движение, то из уравнений (1) можно «удалить» некоторые слагаемые и иметь не восемнадцать переменных инерциальной информации, как это имеет место в общем случае, а меньше. В этих частных случаях и построение блока инерциальной информации возможно на меньшем количестве инерциальных датчиков. Другими словами, можно специальными конструктивными разработками, реализованными в соответствии с критериями параметрического синтеза, обнулить коэффициенты при некоторых слагаемых в уравнениях (1) и превратить рассматриваемый инерциальный датчик общего вида в инерциальный датчик специального вида, например, в датчик угловой скорости, датчик углового ускорения, датчик кажущегося ускорения. Но следует иметь в виду, что указанные конструктивные разработки необходимо реализовывать с предельно высокой точностью, которая только возможна при современной технологической культуре производства. Поэтому возникает альтернатива: точно идентифицировать реальные параметры инерциального датчика и пользоваться общими уравнениями (1) для получения в конечном итоге переменных навигационной информации или превратить инерциальный датчик общего вида в инерциальный датчик специального вида путем специальных конструктивных разработок с применением наиболее точной технологии реализации этих разработок. В заявляемом устройстве использован первый вариант, хотя второй вариант после выполнения необходимых теоретических исследований также имеет право на существование.Fourth. Equations (1) for the inertial sensor under consideration were obtained for arbitrary values of its parameters and for its arbitrary installation on an object moving arbitrarily in space. If we take the values of the parameters of the inertial sensor not arbitrary, but satisfying certain restrictions achieved by special design developments, and also installing it not arbitrarily, but in a particular way on an object that performs not arbitrary, but some particular movement, then from equations (1) we can remove ”some terms and have not eighteen variables of inertial information, as is the case in the general case, but less. In these particular cases, the construction of a block of inertial information is possible with fewer inertial sensors. In other words, it is possible to reset the coefficients for some terms in equations (1) by special constructive designs implemented in accordance with the parametric synthesis criteria and turn the general inertial sensor under consideration into a special type inertial sensor, for example, into an angular velocity sensor, an angular acceleration sensor, apparent acceleration sensor. But it should be borne in mind that these design developments must be implemented with extremely high accuracy, which is only possible with a modern technological culture of production. Therefore, an alternative arises: to accurately identify the real parameters of the inertial sensor and use the general equations (1) to ultimately obtain navigation information variables or to turn the general inertial sensor into a special type inertial sensor using special design developments using the most accurate technology for implementing these developments. In the inventive device used the first option, although the second option after performing the necessary theoretical studies also has the right to exist.

Пятое. Уравнения системы (1) получены при произвольных величинах проекций радиуса-вектора центра масс подвеса и произвольных величинах компонент его тензора инерции. В частности, при статической и динамической балансировке симметрично установленных боковых стержней относительно центрального стержня его центр масс будет расположен на центральном стержне и тензор инерции будет иметь диагональный вид - в этом случае при обеспечении точной балансировки в уравнениях системы (1) будут отсутствовать слагаемые, содержащие произведения проекций вектора абсолютной угловой скорости объекта.Fifth. The equations of system (1) were obtained for arbitrary values of the projections of the radius vector of the center of mass of the suspension and arbitrary values of the components of its inertia tensor. In particular, during the static and dynamic balancing of symmetrically installed side rods relative to the central rod, its center of mass will be located on the central rod and the inertia tensor will have a diagonal form - in this case, with accurate balancing, the equations of system (1) will not contain terms containing products projections of the vector of the absolute angular velocity of the object.

Перечисленные выше замечания являются основой для постановок задач соответствующих исследований частных случаев, а в заявляемом устройстве использован общий случай, о котором указано в четвертом замечании.The above comments are the basis for the statement of the problems of the corresponding studies of particular cases, and in the inventive device the general case is used, which is indicated in the fourth remark.

Согласно схеме блока инерциальной информации (фиг. 2), в его состав входят три инерциальных датчика, математическое описание каждого из которых представлено шестью уравнениями (1), в каждое из которых в общем случае при произвольных величинах параметров инерциальных датчиков входит по восемнадцать переменных инерциальной информации вида:According to the scheme of the inertial information block (Fig. 2), it consists of three inertial sensors, the mathematical description of each of which is represented by six equations (1), each of which in the general case for arbitrary values of the parameters of inertial sensors includes eighteen variables of inertial information type:

Заметим, что переменные Ω_i, W_i i=1, 2, 3 инерциальной информации из перечисленных в (4) являются основными, а остальные - избыточными, которые следует использовать для проверки правильности вычислений основных, например, путем проверки выполнения тождеств:Note that the variables Ω _i , W _i i = 1, 2, 3 of the inertial information from those listed in (4) are the main ones, and the rest are redundant, which should be used to verify the correctness of the basic calculations, for example, by checking the identity:

то есть повышения надежности определения указанных переменных, а значит и повышения надежности определения переменных навигационной информации и функции управления движением объекта. Можно показать, что в общем случае инерциальные датчики, входящие в состав блока инерциальной информации, должны иметь неодинаковые параметры, перечисленные выше, для того, чтобы решения системы линейных алгебраических уравнений:that is, increasing the reliability of determining these variables, and therefore increasing the reliability of determining variables of navigation information and the function of controlling the movement of an object. It can be shown that in the general case, the inertial sensors that are part of the inertial information unit must have the unequal parameters listed above in order to solve the system of linear algebraic equations:

относительно переменных инерциальной информации существовали и были единственными, где a _ij - коэффициенты, зависящие от времени в силу наличия законов во времени возвратно-поступательных движений подвижных элементов вибраторов и от конструктивных параметров трех инерциальных датчиков, B_i - правые части, зависящие от величин реакций (3), определенных на основе измеряемых сигналов датчиков сил трех инерциальных датчиков, то есть 54-х датчиков сил. Решая систему линейных алгебраических уравнений (6) в локальном компьютере блока инерциальной информации (фиг. 2), получаем величины переменных инерциальной информации (4), из которых переменные Ω_i, W_i, i=1, 2, 3 являются основными и необходимыми для реализации алгоритма функционирования бесплатформенной инерциальной навигационной системы, а остальные переменные инерциальной информации из перечня (4) являются избыточными и должны быть использованы для проверки правильности определения основных переменных инерциальной информации, то есть должны быть использованы для повышения надежности получаемой инерциальной информации, а, следовательно, и повышения надежности определения переменных навигационной информации и функции управления движением объекта.with respect to variables of inertial information, they existed and were the only ones, where a _ij are coefficients depending on time due to the presence of laws in time of reciprocating movements of the moving elements of vibrators and on the design parameters of three inertial sensors, B _i are the right parts depending on the values of the reactions ( 3), determined on the basis of the measured signals of the force sensors of three inertial sensors, that is, 54 force sensors. Solving the system of linear algebraic equations (6) in the local computer of the inertial information block (Fig. 2), we obtain the values of the inertial information variables (4), of which the variables Ω _i , W _i , i = 1, 2, 3 are basic and necessary for the implementation of the algorithm for the operation of the strapdown inertial navigation system, and the remaining variables of inertial information from the list (4) are redundant and should be used to verify the correctness of the determination of the main variables of inertial information, i.e. lzhny be used to improve the reliability of the inertial information and hence improve the reliability and variable definitions navigation information and traffic control function entity.

Согласно схеме бесплатформенной инерциальной навигационной системы (фиг. 3) в бортовом компьютере должен быть реализован алгоритм ее функционирования на основе вычисленных переменных инерциальной информации, Ω_i, W_i, i=1, 2, 3, математическое описание для которого представляет собой систему пятнадцати обыкновенных дифференциальных уравнений:According to the scheme of the strapdown inertial navigation system (Fig. 3), the on-board computer must implement an algorithm for its functioning based on the calculated inertial information variables, Ω _i , W _i , i = 1, 2, 3, the mathematical description of which is a system of fifteen ordinary differential equations:

и систему шести алгебраических уравнений, выражающих условия ортогональности и масштаба для направляющих косинусов от земной географической к объектной системе координат:and a system of six algebraic equations expressing the conditions of orthogonality and scale for the directing cosines from the earth's geographical to the object coordinate system:

где введены обозначения: S_ijk - символ Леви-Чивита, D_ij - символ Кронеккера, U_i, g_i - проекции соответственно векторов угловой скорости Земли и гравитационного ускорения полюса объекта в земной географической системе координат; Ω_i, W_i - проекции соответственно векторов абсолютной угловой скорости объекта и кажущегося ускорения полюса объекта в объектной системе координат, являющиеся основными переменными инерциальной информации; C_ij - направляющие косинусы от земной географической системы координат к объектной системе координат; V_i, R_i - проекции соответственно векторов скорости полюса объекта и радиуса-вектора полюса объекта (то есть координат объекта) в земной географической системе координат; C⁰ _ij, V⁰ _i, R⁰ _i - значения соответственно переменных C_ij, V_i, R_i в начальный момент времени навигации объекта, то есть начальные условия движения объекта. Функция управления движением объекта может быть представлена в виде:where the notation is introduced: S _ijk is the Levi-Civita symbol, D _ij is the Kronecker symbol, U _i , g _i are the projections of the angular velocity of the Earth and the gravitational acceleration of the object’s pole in the geographic coordinate system, respectively; Ω _i , W _i - projections, respectively, of the vectors of the absolute angular velocity of the object and the apparent acceleration of the pole of the object in the object coordinate system, which are the main variables of inertial information; C _ij - directional cosines from the terrestrial geographical coordinate system to the object coordinate system; V _i , R _i are the projections, respectively, of the velocity vectors of the pole of the object and the radius vector of the pole of the object (that is, the coordinates of the object) in the terrestrial geographical coordinate system; C ⁰ _ij , V ⁰ _i , R ⁰ _i are the values of the variables C _ij , V _i , R _i , respectively, at the initial time of navigation of the object, that is, the initial conditions for the movement of the object. The function of controlling the movement of an object can be represented as:

где С^* _ij, V^* _i, R^* _i - программные функции времени переменных навигационной информации, соответствующие переменным C_ij, V_i, R_i, вычисленным в бортовом компьютере бесплатформенной инерциальной навигационной системы;

- размерные весовые коэффициенты, определяемые зависимостями:where C ^* _ij , V ^* _i , R ^* _i are the program time functions of the variables of navigation information corresponding to the variables C _ij , V _i , R _i calculated in the on-board computer of the strapdown inertial navigation system;

- dimensional weights determined by the dependencies:

где C^B _ij, V^B _i, R^B _i - наибольшие значения переменных C_ij, V_i, R_i на интервале времени [t₀;T] навигации объекта;

- безразмерные весовые коэффициенты, которыми выделяется значимость того или иного слагаемого в формуле (9), удовлетворяющие условию:where C ^B _ij , V ^B _i , R ^B _i - the largest values of the variables C _ij , V _i , R _i on the time interval [t ₀ ; T] of the navigation object;

- dimensionless weights, which highlight the significance of a particular term in the formula (9), satisfying the condition:

Заметим, что функция (9) с учетом введенных весовых коэффициентов (10), (11) представляет собой относительную величину рассогласования между программными и определяемыми бесплатформенной инерциальной навигационной системой переменными навигационной информации в каждый текущий момент времени из интервала [t₀;T]. Далее, аналогично тому, как это было сделано для восемнадцати переменных инерциальной информации, целесообразно ввести единые обозначения для пятнадцати переменных навигационной информации:Note that the function (9), taking into account the introduced weighting factors (10), (11), represents the relative value of the mismatch between the software and the navigation information variables determined by the strapdown inertial navigation system at each current time from the interval [t ₀ ; T]. Further, in the same way as it was done for eighteen variables of inertial information, it is advisable to introduce uniform notation for fifteen variables of navigation information:

тогда систему уравнений (7) можно записать в виде:then the system of equations (7) can be written as:

уравнения (8) можно записать в виде:equations (8) can be written as:

функцию управления (9) можно записать в виде:control function (9) can be written as:

где введены обозначения для размерных весовых коэффициентов:where designations for dimensional weighting factors are introduced:

а также введены обозначения: у^* _k - программные функции времени переменных навигационной информации, соответствующие переменным y_k; y^B _k - наибольшие значения переменных y_k на интервале времени [t₀;T] навигации объекта, γ⁰ _k - безразмерные весовые коэффициенты, удовлетворяющие условию (11), которое в новых обозначениях переменных навигационной информации принимает вид:and also the notation is introduced: y ^* _k are the program functions of the time of the variables of navigation information corresponding to the variables y _k ; y ^B _k - the largest values of the variables y _k on the time interval [t ₀ ; T] of the navigation of the object, γ ⁰ _k - dimensionless weight coefficients that satisfy condition (11), which in the new notation of variables of navigation information takes the form:

На основе выполненного математического описания составлен алгоритм функционирования бесплатформенной инерциальной навигационной системы, который поясняет работу заявленного устройства. Блок-схема этого алгоритма представлена на фиг. 5. В блоке 0 перечислена исходная информация, хранимая в бортовом компьютере, и предназначенная для осуществления вычислений в блоках 1, 2, 3 алгоритма. После измерения сигналов датчиков сил в блоке 1 вычисляются реакции опор подвеса вибраторов трех инерциальных датчиков по формулам (3) в блоке 2, которые используются для вычисления в блоке 3 коэффициентов a_ij на основе коэффициентов

зависящих от массогеометрических характеристик трех инерциальных датчиков и величин B_i правых частей системы (6), зависящих от вычисленных ранее реакций опор осей вращения роторов трех инерциальных датчиков. Далее в блоке 4 осуществляется решение системы линейных алгебраических уравнений восемнадцатого порядка относительно переменных инерциальной информации x_i, в блоке 5 проверяются условия (5) - зависимости между переменными инерциальной информации, при невыполнении которых осуществляется поиск ошибок первого уровня (обозначенных буквой А) с возвратом на блок 2. Далее в блоке 6 решается система (13) обыкновенных дифференциальных уравнений пятнадцатого порядка относительно переменных навигационной информации y_i, после чего в блоке 7 проверяются условия (14) ортогональности и масштаба для направляющих косинусов, при невыполнении которых осуществляется поиск ошибок второго уровня (обозначенных буквой Б) с возвратом на блок 6. Далее в блоке 8 вычисляется функция (15) управления движением объекта и в блоке 9 осуществляется вывод переменных навигационной информации и функции (5) и ввод их в систему управления движением объекта. На основе этого алгоритма с использованием конкретных формул, которыми должен быть снабжен блок 3 (эти формулы имеются, но с целью сокращения текста описания не приведены), должна быть разработана программа для бортового компьютера и после изготовления опытного образца заявляемого устройства проведены натурные испытания этой программы для ее отладки и устранения ошибок первого и второго уровней (А и Б).Based on the performed mathematical description, an algorithm for the operation of a strapdown inertial navigation system is compiled, which explains the operation of the claimed device. A block diagram of this algorithm is shown in FIG. 5. In block 0, the initial information is stored in the on-board computer, and intended for the implementation of calculations in

blocks

1, 2, 3 of the algorithm. After measuring the signals of the force sensors in block 1, the reactions of the suspension supports of the vibrators of three inertial sensors are calculated according to formulas (3) in block 2, which are used to calculate the coefficients a _ij in block 3 based on the coefficients

depending on the mass-geometric characteristics of the three inertial sensors and the values of B _{i on the} right-hand sides of system (6), depending on the previously calculated reactions of the supports of the rotational axes of the rotors of the three inertial sensors. Next, in block 4, the system of eighteenth-order linear algebraic equations is solved with respect to the variables of inertial information x _i , in block 5, conditions (5) are checked - the dependencies between the variables of inertial information, if not fulfilled, the system searches for errors of the first level (indicated by the letter A) and returns to block 2. Next, in block 6, the system (13) of ordinary differential equations of the fifteenth order with respect to the variables of navigation information y _i is solved, after which I check in block 7 conditions (14) of orthogonality and scale for the directing cosines are defined, if not fulfilled, a second-level error (indicated by the letter B) is searched for and returned to block 6. Then, in block 8, the function (15) for controlling the object’s movement is calculated and in block 9, the variables are output navigation information and functions (5) and entering them into the object’s motion control system. Based on this algorithm, using specific formulas that block 3 should be supplied with (these formulas are available, but are not given to reduce the description text), a program for the on-board computer should be developed and, after making a prototype of the inventive device, full-scale tests of this program for debugging it and eliminating errors of the first and second levels (A and B).

Правильность приведенного выше алгоритма функционирования бесплатформенной инерциальной навигационной системы зависит от достоверности информации сигналов датчиков сил и, соответственно, от правильного вычисления сил реакций опор подвеса вибраторов трех инерциальных датчиков, входящих в состав блока инерциальной информации. Проверка указанных достоверности и правильности должна быть реализована экспериментально после изготовления конструкций опорных узлов (фиг. 4) трех инерциальных датчиков. После проведения этих процедур и получения требуемых результатов остается вопрос о проверке достоверности алгоритма вычисления восемнадцати переменных x_i, i=1, …, 18 инерциальной информации и пятнадцати переменных y_k, k=1, …,15 навигационной информации. Этот вопрос может быть решен теоретически на основе построенной имитационной модели функционирования бесплатформенной инерциальной навигационной системы, о которой далее идет речь. Для построения указанной имитационной модели необходимо задать информацию о кинематических характеристиках объекта, для навигации которого предполагается использовать бесплатформенную инерциальную навигационную систему. Эти кинематические характеристики можно задать в виде функций времени:The correctness of the above algorithm for the operation of the strapdown inertial navigation system depends on the reliability of the information of the force sensor signals and, accordingly, on the correct calculation of the reaction forces of the suspension supports of the vibrators of the three inertial sensors included in the inertial information block. Verification of the indicated reliability and correctness should be implemented experimentally after manufacturing the structures of the support nodes (Fig. 4) of three inertial sensors. After carrying out these procedures and obtaining the required results, the question remains of verifying the reliability of the algorithm for calculating eighteen variables x _i , i = 1, ..., 18 inertial information and fifteen variables y _k , k = 1, ..., 15 navigation information. This issue can be solved theoretically on the basis of the constructed simulation model of the operation of the strapdown inertial navigation system, which is discussed later. To build the specified simulation model, it is necessary to specify information about the kinematic characteristics of the object, for the navigation of which it is supposed to use a strap-down inertial navigation system. These kinematic characteristics can be specified as functions of time:

где

- проекции соответственно радиуса-вектора полюса объекта в земной географической системе координат, их первые и вторые производные по времени;

- углы поворотов объекта относительно земной географической системы координат, их первые и вторые производные по времени на интервале [t₀;T]. На основе этой информации путем выкладок, проделанных авторами методами кинематики произвольно движущегося в пространстве объекта, определяются переменные:Where

- projections, respectively, of the radius vector of the pole of the object in the earth's geographic coordinate system, their first and second time derivatives;

- the angles of rotation of the object relative to the terrestrial geographical coordinate system, their first and second time derivatives in the interval [t ₀ ; T]. Based on this information, the following variables are determined by the authors using the kinematics methods of an object randomly moving in space:

являющиеся имитациями соответствующих переменных x_i инерциальной информации, и далее определяются переменные:which are imitations of the corresponding variables x _i inertial information, and then the variables are determined:

являющиеся имитациями соответствующих переменных y_i навигационной информации. Подставляя переменные (19) в формулы (1) для трех инерциальных датчиков, получаем имитации реакций опор осей вращения роторов этих инерциальных датчиков и затем получаем имитации B⁰ _i правых частей системы (6), вместо которой получаем соответствующую имитационную систему линейных алгебраических уравнений:which are imitations of the corresponding variables y _i navigation information. Substituting variables (19) into formulas (1) for three inertial sensors, we obtain simulations of the reactions of the supports of the rotational axes of the rotors of these inertial sensors and then we obtain simulations B ⁰ _{i of the} right-hand sides of system (6), instead of which we obtain the corresponding simulation system of linear algebraic equations:

Решая эту систему относительно x_i и сравнивая полученные решения с соответствующими переменными x⁰ _i, и делаем вывод о правильности или неправильности алгоритма вычисления переменных инерциальной информации. В случае правильности на основе этого алгоритма следует разработать программу и инсталлировать эту программу в локальный компьютер. Далее, используя имитации x⁰ _i переменных инерциальной информации, на основе алгоритма функционирования бесплатформенной инерциальной навигационной системы путем решения системы обыкновенных дифференциальных уравнений (13) относительно y_i и сравнения полученных решений с соответствующими переменными y⁰ _i, делаем вывод о правильности или неправильности алгоритма вычисления переменных навигационной информации. В случае правильности на основе этого алгоритма следует разработать программу и инсталлировать эту программу в бортовой компьютер. Блок-схема этого алгоритма представлена на фиг. 6. В блоке О перечислена исходная информация, в состав которой входит указанная выше информация о кинематических характеристиках объекта (18), на основе которой вычисляются переменные (19), (20) соответственно в блоках 1, 2. В блоке 3 вычисляются реакции опор осей вращения роторов трех инерциальных датчиков с использованием формул (1), читая их справа налево, и далее в блоках 4, 5 вычисляются правые части системы (6) и коэффициенты этой системы, после чего в блоке 6 решается соответствующая имитационная система (21). Полученные решения в блоке 7 сравниваются с соответствующими переменными (19) и в случае их несовпадения осуществляется поиск ошибок первого уровня (А) и возврат к блоку 3. Далее основные переменные инерциальной информации из перечня (19) подставляются в систему (13) и в блоке 8 решается эта система и полученные решения в блоке 9 сравниваются с переменными (20) и в случае их несовпадения осуществляется поиск ошибок второго уровня (Б) и возврат к блоку 8. На основе описанного алгоритма следует разработать программы для локального и бортового компьютеров, которые при их отладке и устранения ошибок первого и второго уровней (А и Б) должны быть инсталлированы в локальный и бортовой компьютеры и в дальнейшем проверены при натурных испытаниях заявляемого устройства.Solving this system with respect to x _i and comparing the obtained solutions with the corresponding variables x ⁰ _i , we conclude that the algorithm for computing the variables of inertial information is correct or incorrect. If correct, based on this algorithm, you should develop a program and install this program on a local computer. Further, using simulations of x ⁰ _i variables of inertial information, based on the algorithm of functioning of the strapdown inertial navigation system by solving a system of ordinary differential equations (13) with respect to y _i and comparing the obtained solutions with the corresponding variables y ⁰ _i , we conclude that the calculation algorithm is correct or incorrect navigation information variables. If correct, based on this algorithm, you should develop a program and install this program in the on-board computer. A block diagram of this algorithm is shown in FIG. 6. In block O, the initial information is listed, which includes the above information about the kinematic characteristics of the object (18), based on which the variables (19), (20) are calculated in blocks 1, 2, respectively. In block 3, the reactions of the axis supports are calculated rotations of the rotors of three inertial sensors using formulas (1), reading them from right to left, and then in blocks 4, 5 the right parts of the system (6) and the coefficients of this system are calculated, after which the corresponding simulation system (21) is solved in block 6. The obtained solutions in block 7 are compared with the corresponding variables (19) and, if they do not match, the first level errors (A) are searched and returned to block 3. Then, the main inertial information variables from the list (19) are inserted into the system (13) and in the block 8, this system is solved and the obtained solutions in block 9 are compared with variables (20) and, if they do not match, the second-level errors (B) are searched and returned to block 8. Based on the described algorithm, programs should be developed for the local and on-board computers a moat which when debugging and error recovery levels one and two (A and B) must be installed in a local and on-board computers and subsequently tested at full-scale tests of the claimed device.

Итак, для доказательства принципиальной работоспособности заявляемого устройства составлен и пояснен математическими описаниями алгоритм функционирования бесплатформенной инерциальной навигационной системы (фиг. 5), представляющий собой последовательность операций ввода исходной информации, измерения и вычисления, выходом которого являются переменные навигационной информации и функция управления движением объекта. Для доказательства принципиальной реализуемости работоспособности заявляемого устройства при навигации объекта с заданными кинематическими характеристиками составлен и пояснен математическими описаниями алгоритм имитационной модели функционирования бесплатформенной инерциальной навигационной системы (фиг. 6) с целью контроля правильности вычислений переменных инерциальной информации и переменных навигационной информации при разработке программ для локального и бортового компьютеров.So, to prove the principal operability of the claimed device, an algorithm for the operation of a strapdown inertial navigation system (Fig. 5) is compiled and explained by mathematical descriptions, which is a sequence of operations for inputting initial information, measurement and calculation, the output of which is navigation information variables and an object's motion control function. To prove the principal feasibility of the operability of the claimed device when navigating an object with given kinematic characteristics, an algorithm for a simulation model of the operation of a strapdown inertial navigation system (Fig. 6) was compiled and explained by mathematical descriptions in order to control the correctness of calculations of inertial information variables and navigation information variables when developing programs for local and on-board computers.

Источники информации, на которые есть ссылки в описанииSources of information referenced in the description

1. Инерциальный навигационный комплекс для высокоскоростного маневренного объекта / Решение о выдаче патента на изобретение от 29.05.2017 по заявке №2016119832/28(031267) от 23.05.2016 - МПК 8 G01C 23/00; авторы: Хмелевский А.С., Щипицын А.Г., Лысов А.Н., Коваленко В.В.1. Inertial navigation system for a high-speed maneuverable object / Decision on the grant of a patent for an invention dated 05.29.2017 by application No. 2016119832/28 (031267) dated 05.23.2016 - IPC 8 G01C 23/00; Authors: Khmelevsky A.S., Schipitsyn A.G., Lysov A.N., Kovalenko V.V.

2. Ткачев Л.И. Системы инерциальной ориентировки: Учебное пособие. - М: МЭИ, 1973.2. Tkachev L.I. Inertial Orientation Systems: A Training Manual. - M: MPEI, 1973.

3. Щипицын А.Г. Бесплатформенные инерциальные навигационные системы: Учебное пособие. - Челябинск, ЧГТУ, 1993.3. Schipitsyn A.G. In -ertial Inertial Navigation Systems: A Tutorial. - Chelyabinsk, ChSTU, 1993.

4. Матвеев В.В., Распопов В.Я. Основы построения бесплатформенных инерциальных навигационных систем. - СПб.: ГНЦ РФ ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2009.4. Matveev V.V., Raspopov V.Ya. The basics of building strapdown inertial navigation systems. - St. Petersburg: State Research Center of the Russian Federation OJSC Concern Central Research Institute Elektropribor, 2009.

5. Способ построения инерциальной навигационной системы. А.с. №155519 / Челяб. политех, ин-т, автор Щипицын А.Г. - Заявлено 20.04.79 №2276932 МКИ3 G01C 19/00. Зарегист. 5.02.81.5. A method of constructing an inertial navigation system. A.S. No. 155,519 / Chelyab. Polytechnic Institute, institute, author Schipitsyn A.G. - Declared 20.04.79 No. 2276932 MKI3 G01C 19/00. Zaregist. 5.02.81.

6. Способ построения инерциальной навигационной системы. А.с .№183269 / Челяб. политех, ин-т, авторы: Щипицын А.Г., Хмелевский А.С.- Заявлено 16.03.82 №3042080 МКИ3 G01C 19/00. Зарегист. 7.01.83.6. A method of constructing an inertial navigation system. A.s.№183269 / Chelyab. Polytechnic Institute, Institute of Authors: Schipitsyn A.G., Khmelevsky A.S. - Claimed March 16, 82 No. 3042080 MKI3 G01C 19/00. Zaregist. 7.01.83.

7. Способ построения инерциальной навигационной системы. А.с .№201020 / Челяб. политех, ин-т, авторы: Щипицын А.Г., Хмелевский А.С., Губницкий А.Ф. - Заявлено 4.05.83 №3065109 МКИ3 G01C 19/00. Зарегист. 27.03.84.7. A method of constructing an inertial navigation system. A.s.№201020 / Chelyab. Polytechnic Institute, Institute of Authors: Schipitsyn A.G., Khmelevsky A.S., Gubnitsky A.F. - Declared 4.05.83 No. 3065109 MKI3 G01C 19/00. Zaregist. 03/27/84.

8. Способ построения инерциальной навигационной системы. А.с. №241291 / Челяб. политех, ин-т, авторы: Щипицын А.Г., Хмелевский А.С., Губницкий А.Ф., Слепова С.В. - Заявлено 9.10.85 №3125843 МКИ3 G01C 19/00. Зарегист. 1.08.86.8. A method of constructing an inertial navigation system. A.S. No. 241291 / Chelyab. Polytechnic Institute, Institute of Authors: Schipitsyn A.G., Khmelevsky A.S., Gubnitsky A.F., Slepova S.V. - Declared 9.10.85 No. 3125843 MKI3 G01C 19/00. Zaregist. 1.08.86.

9. Пьезоэлектрический вибратор. Патент: JP 3441932 В2 1 1 108665 А. 30.09.1997. Автор: Nishimura Mishiaki (Kyocera Corp.).9. Piezoelectric vibrator. Patent: JP 3441932 B2 1 1 108665 A. 09.30.1997. Posted by Nishimura Mishiaki (Kyocera Corp.).

10. Малов В.В. Пьезоэлектрические датчики. - 2-е изд. - М.: Энергоатомиздат, 1989.10. Malov V.V. Piezoelectric sensors. - 2nd ed. - M .: Energoatomizdat, 1989.

11. Гроховский С.С., Лущиков Р.И., Прохоров Н.И. Интеллектуальный датчик силы. / Патент РФ 2165601 от 20.04.2001. [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.freepatent.ru/patents/216560111. Grokhovsky S.S., Lushchikov R.I., Prokhorov N.I. Intelligent force sensor. / RF patent 2165601 dated 04/20/2001. [Electronic resource] - Access mode: http://www.freepatent.ru/patents/2165601

12. Григорьев В.А., Лагутенко О.И., Распаев Ю.А. Системы и сети радиодоступа. М.,: Эко Трендз, 2005.12. Grigoriev V.A., Lagutenko O.I., Raspaev Yu.A. Radio access systems and networks. M.,: Eco Trends, 2005.

Claims

Бесплатформенная инерциальная навигационная система подвижного носителя, содержащая датчики угловой скорости и датчики кажущегося ускорения, подключенные к бортовому компьютеру, в котором хранится априорная информация о вращении Земли, ее гравитационном поле и начальных условиях о движении объекта и в каждый текущий момент времени последовательно вычисляются шесть переменных инерциальной информации, пятнадцать переменных навигационной информации и функция управления движением объекта, отличающаяся тем, что она построена на трех инерциальных датчиках, каждый из которых представляет собой подвес для двух вибраторов, состоящий из жестко связанных друг с другом центрального стержня, двух боковых стержней, установленных под заданными углами к центральному стержню и расположенных с ним в одной плоскости и двух торцевых стержней, установленных по торцам центрального стержня; по концам центрального стержня установлены опорные узлы, каждый из которых представляет собой два торцевых стержня, жестко связанных с центральным стержнем и установленных ему перпендикулярно в плоскости боковых стержней и девять датчиков сил, по три из которых установлены по концам торцевых стержней перпендикулярно центральному стержню и взаимно перпендикулярно, и три датчика силы установлены на конце центрального стержня: один - вдоль центрального стержня и два других - перпендикулярно центральному стержню и плоскости расположения центрального и боковых стержней; все указанные датчики сил контактируют с торцевыми и центральным стержнями, а их противоположные концы жестко контактируют с корпусом инерциального датчика, жестко установленном на объекте; каждый датчик силы выдает сигнал, равный его силе сжатия; на концах боковых стержней установлены вибраторы, точечные массы подвижных элементов которых совершают устойчивые возвратно-поступательные движения вдоль направлений боковых стержней с заданными амплитудами и частотами; выходы датчиков сил подключены ко входу встроенного компьютера по беспроводной технологии передачи информации; каждый датчик силы выдает сигнал, равный его силе сжатия, выходы датчиков силы и подключены ко входу бортового компьютера по беспроводной технологии передачи информации, в котором последовательно вычисляются реакции опор подвеса вибраторов инерциальных датчиков, восемнадцать переменных инерциальной информации с использованием избыточности для контроля правильности вычислений и повышения надежности, пятнадцать переменных навигационной информации и функция управления движением объекта.A strap-down inertial navigation system of a moving medium containing angular velocity sensors and apparent acceleration sensors connected to an on-board computer, which stores a priori information about the Earth’s rotation, its gravitational field and initial conditions about the object’s motion, and six variables of the inertial information, fifteen variables of navigation information and the function of controlling the movement of the object, characterized in that it is built on three and inertial sensors, each of which is a suspension for two vibrators, consisting of a central rod rigidly connected to each other, two side rods installed at predetermined angles to the central rod and located with it in the same plane and two end rods installed at the ends of the central rod; supporting nodes are installed at the ends of the central rod, each of which is two end rods rigidly connected to the central rod and mounted to it perpendicularly in the plane of the side rods and nine force sensors, three of which are installed at the ends of the end rods perpendicular to the central rod and mutually perpendicular , and three force sensors are installed at the end of the central rod: one along the central rod and the other two perpendicular to the central rod and the plane of arrangement central and side rods; all of these force sensors are in contact with the end and central rods, and their opposite ends are rigidly in contact with the body of the inertial sensor, rigidly mounted on the object; each force sensor gives a signal equal to its compression force; vibrators are installed at the ends of the lateral rods, the point masses of the moving elements of which perform stable reciprocating movements along the directions of the lateral rods with given amplitudes and frequencies; the outputs of the force sensors are connected to the input of the built-in computer using wireless information transfer technology; each force sensor generates a signal equal to its compression force, the outputs of the force sensors are connected to the input of the on-board computer using wireless information transfer technology, in which the reactions of the suspension supports of the inertial sensor vibrators, eighteen inertial information variables are used using redundancy to control the calculation and increase reliability, fifteen variables of navigation information and an object motion control function.