RU2821640C1 - Method of determining angular orientation of aircraft - Google Patents
Method of determining angular orientation of aircraft Download PDFInfo
- Publication number
- RU2821640C1 RU2821640C1 RU2024103172A RU2024103172A RU2821640C1 RU 2821640 C1 RU2821640 C1 RU 2821640C1 RU 2024103172 A RU2024103172 A RU 2024103172A RU 2024103172 A RU2024103172 A RU 2024103172A RU 2821640 C1 RU2821640 C1 RU 2821640C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- aircraft
- radio
- signals
- vectors
- orientation
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 39
- 239000013598 vector Substances 0.000 claims abstract description 40
- 230000005684 electric field Effects 0.000 claims abstract description 17
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims abstract description 9
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 7
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 4
- 230000007257 malfunction Effects 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 17
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 description 5
- 244000309464 bull Species 0.000 description 4
- 238000007476 Maximum Likelihood Methods 0.000 description 2
- 230000003044 adaptive effect Effects 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 2
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 2
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 2
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 238000003491 array Methods 0.000 description 1
- 238000004590 computer program Methods 0.000 description 1
- 238000005094 computer simulation Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 1
- 230000036039 immunity Effects 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000002285 radioactive effect Effects 0.000 description 1
- 238000012552 review Methods 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
Abstract
Description
Изобретение относится к области навигации по сигналам радиоизлучающих объектов с известными координатами, и может быть использовано в качестве альтернативного способа определения угловой ориентации летательного аппарата (ЛА) в пространстве.The invention relates to the field of navigation using signals from radio-emitting objects with known coordinates, and can be used as an alternative method for determining the angular orientation of an aircraft in space.
Известен способ определения угловой ориентации объекта по сигналам глобальных спутниковых радионавигационных спутниковых систем (аналог) [1], основанный на приеме сигналов от космических аппаратов глобальных спутниковых радионавигационных спутниковых систем на разнесенные антенны, измерении фазового сдвига между принятыми сигналами от каждого космического аппарата, подборе значений целочисленных неоднозначностей измерений фазовых сдвигов, решении системы уравнений для определения угловой ориентации, при этом искомая угловая ориентация объекта определяется из условия максимума функции правдоподобия.There is a known method for determining the angular orientation of an object using signals from global satellite radio navigation satellite systems (analogue) [1], based on receiving signals from spacecraft of global satellite radio navigation satellite systems on spaced antennas, measuring the phase shift between received signals from each spacecraft, selecting integer values ambiguities in measuring phase shifts, solving a system of equations to determine the angular orientation, while the desired angular orientation of the object is determined from the condition of the maximum likelihood function.
Недостатком способа является необходимость просмотра большого количества комбинаций целочисленных неоднозначностей измерений фазовых сдвигов, в котором не учитывается информация о положении космических аппаратов, векторов, соединяющих антенны, а также относительно низкая точность измерения углов ориентации ЛА в пространстве, связанная с отсутствием согласования по поляризации между приемной антенной системой (АС) и полем приходящей электромагнитной волны в условиях естественных, преднамеренных и не преднамеренных помех.The disadvantage of this method is the need to view a large number of combinations of integer ambiguities in phase shift measurements, which does not take into account information about the position of spacecraft, vectors connecting the antennas, as well as the relatively low accuracy of measuring the orientation angles of the aircraft in space, associated with the lack of polarization matching between the receiving antenna system (AS) and the field of an incoming electromagnetic wave under conditions of natural, intentional and unintentional interference.
Известен способ определения угловой ориентации летательных аппаратов (аналог) [2], согласно которому обеспечивается повышение помехоустойчивости к воздействию преднамеренных помех, за счет оптимизированной пространственной фильтрации при приеме сигналовкосмических аппаратов глобальной навигационной спутниковой системы, основанной на критерии минимума выходной мощности. Способ отличается вычислением эталонных разностей фаз Δϕэт, значения которых определяют по разности сигналов двух адаптивных антенных решеток (ААР), при этом учитывается амплитудно-фазовое смещение, вносимое каждой ААР. Устранено противоречие при реализации адаптивной антенной системы, связанное с одновременным выполнением пространственной фильтрации помех и угловой ориентации ЛА путем замены М антенных элементов на М ААР.There is a known method for determining the angular orientation of aircraft (analogue) [2], according to which an increase in noise immunity to the effects of intentional interference is ensured, due to optimized spatial filtering when receiving signals from spacecraft of the global navigation satellite system, based on the criterion of minimum output power. The method is distinguished by the calculation of reference phase differences Δϕ fl , the values of which are determined by the difference in the signals of two adaptive antenna arrays (AAR), while taking into account the amplitude-phase shift introduced by each AAR. The contradiction in the implementation of an adaptive antenna system associated with the simultaneous implementation of spatial filtering of interference and angular orientation of the aircraft by replacing M antenna elements with M AAR has been eliminated.
Недостатком способа является необходимость использования распределенной многоэлементной антенной решетки при приеме сигналов космических аппаратов, а также относительно низкая точность измерения углов ориентации ЛА в пространстве, связанная с отсутствием согласования по поляризации между приемной антенной системой (АС) и полем приходящей электромагнитной волны в условиях естественных, преднамеренных и не преднамеренных помех.The disadvantage of this method is the need to use a distributed multi-element antenna array when receiving signals from spacecraft, as well as the relatively low accuracy of measuring the orientation angles of the aircraft in space, associated with the lack of polarization matching between the receiving antenna system (AS) and the field of the incoming electromagnetic wave under natural, intentional conditions. and not intentional interference.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ определения угловой ориентации летательного аппарата в среде глобальных радионавигационных систем угловой ориентации объекта по радионавигационным сигналам космических аппаратов (прототип) [3].The closest in technical essence to the claimed is a method for determining the angular orientation of an aircraft in the environment of global radio navigation systems, the angular orientation of an object from radio navigation signals of spacecraft (prototype) [3].
Способ - прототип позволяет определить угловую ориентацию по сигналам космических аппаратов глобальных спутниковых радионавигационных систем, на основе приема сигналов от космических аппаратов на антенны, количеством не менее трех, расположенных на объекте так, чтобы они не лежали на одной прямой, измерении фазового сдвига между принятыми сигналами от каждого космического аппарата, подборе целочисленных неоднозначностей, позволяющем определить возможные значения угловой ориентации, определении значения искомой угловой ориентации объекта по максимуму функции правдоподобия, согласно изобретению возможные значения угловой ориентации определяют с использованием измеренных фазовых сдвигов и выражений, учитывающихположение космических аппаратов, векторов, образованных линиями, соединяющими антенны, и их взаимную связь.The prototype method allows you to determine the angular orientation from the signals of spacecraft of global satellite radio navigation systems, based on the reception of signals from spacecraft to antennas, at least three in number, located on the object so that they do not lie on the same straight line, measuring the phase shift between the received signals from each spacecraft, selection of integer ambiguities, allowing to determine possible values of angular orientation, determination of the value of the desired angular orientation of an object using the maximum likelihood function, according to the invention, possible values of angular orientation are determined using measured phase shifts and expressions taking into account the position of spacecraft, vectors formed by lines , connecting the antennas, and their mutual connection.
Недостатком способа является необходимость использования не менее трех, расположенных на объекте и разнесенных в пространстве антенных элемента при приеме сигналов космических аппаратов, относительно низкая точность измерения углов ориентации летательного аппарата, в условиях воздействия естественных, преднамеренных и не преднамеренных, при нарушения работы или выходе из строя приемника сигналов глобальных навигационных спутниковых систем, а также при отсутствии согласования по поляризации между приемной АС и полем приходящей электромагнитной волны.The disadvantage of this method is the need to use at least three antenna elements located on the object and spaced apart in space when receiving signals from spacecraft, the relatively low accuracy of measuring the orientation angles of the aircraft, under conditions of natural, intentional and unintentional influences, in case of malfunction or failure receiver of signals from global navigation satellite systems, as well as in the absence of polarization matching between the receiving AS and the field of the incoming electromagnetic wave.
Техническим результатом изобретения является повышение точности определения угловой ориентации летательного аппарата в условиях воздействия естественных, преднамеренных и не преднамеренных помех, при нарушении работы или выходе из строя приемника сигналов глобальных навигационных спутниковых систем, за счет обеспечения согласования по поляризации между приемной антенной системой и полем приходящей электромагнитной волны от радиоизлучающего объекта с известными координатами.The technical result of the invention is to increase the accuracy of determining the angular orientation of an aircraft under conditions of natural, intentional and unintentional interference, in the event of malfunction or failure of the receiver of signals from global navigation satellite systems, by ensuring polarization matching between the receiving antenna system and the incoming electromagnetic field waves from a radio-emitting object with known coordinates.
Поставленная цель достигается тем, что в известном способе, заключающемся в приеме сигналов от независимых радиоизлучающих объектов с известными координатами с использованием антенной системы, установленной на летательном аппарате, измерении параметров сигналов от радиоизлучающих объектов с известными координатами, определении текущего углового положения объекта, на основе измеренных параметров сигналов от радиоизлучающих объектов, при этом в качестве антенной системы используют триортогональную вибраторную антенную систему (ТОВАС). Измерения и расчеты выполняют в декартовой системе координат (ДСК) OXYZ. Выбирают N≥3 независимых пространственно-разнесенных радиоизлучающих объектов с известными координатами и эллиптически поляризованнымирадиоизлучениями. Измеряют в момент времени и с помощью ТОВАС ортогональные компоненты Ex,n(t1) Ey,n(t1) Ez,n(t1) векторов напряженности электрического поля En(t1) принятых сигналов от каждого из N независимых пространственно-разнесенных радиоизлучающих объектов с известными координатами, где n=1…N - номер радиоизлучающего объекта. Измеряют в моменты времени t2 с помощью ТОВАС ортогональные компоненты Ex,n(t2), Еу,n(t2), и Ez,n(t1) векторов напряженности электрического поля En(t2) принятых сигналов от каждого из N независимых пространственно-разнесенных радиоизлучающих объектов с известными координатами. Определяют ориентацию векторов напряженности электрического поля En(t1) и En(t2) в ДСК OXYZ путем векторного сложения соответствующих ортогональных компонент Ex,n(t1) Ey,n(t1) Ez,n(t1) и Ex,n(t2) Ey,n(t2) Ez,n(t2). Определяют параметры направляющих векторов tn путем векторного произведение пар векторов En(t1)и En(t2) Определяют значения элементов матрицы углов поворота летательного аппарата, определяют текущее угловое положение летательного аппарата по значениям элементов матрицы углов поворота.This goal is achieved by the fact that in the known method, which consists in receiving signals from independent radio-emitting objects with known coordinates using an antenna system installed on an aircraft, measuring the parameters of signals from radio-emitting objects with known coordinates, determining the current angular position of the object based on the measured parameters of signals from radio-emitting objects, while a triorthogonal vibrator antenna system (TOVAS) is used as an antenna system. Measurements and calculations are performed in the Cartesian coordinate system (DCS) OXYZ. N≥3 independent spatially separated radio-emitting objects with known coordinates and elliptically polarized radio emissions are selected. The orthogonal components E x , n (t 1 ) E y , n (t 1 ) E z , n (t 1 ) of the electric field strength vectors E n (t 1 ) of the received signals from each of N are measured at the moment of time and using TOVAS independent spatially separated radio-emitting objects with known coordinates, where n=1...N is the number of the radio-emitting object. The orthogonal components E x , n (t 2 ), E y , n (t 2 ), and E z , n (t 1 ) of the electric field strength vectors E n (t 2 ) of the received signals are measured at time t 2 using TOVAS. from each of N independent spatially separated radio-emitting objects with known coordinates. The orientation of the electric field strength vectors E n (t 1 ) and E n (t 2 ) in the OXYZ DSC is determined by vector addition of the corresponding orthogonal components E x , n (t 1 ) E y , n (t 1 ) E z , n (t 1 ) and E x , n (t 2 ) E y , n (t 2 ) E z , n (t 2 ). The parameters of the direction vectors t n are determined by the vector product of pairs of vectors E n (t 1 ) and E n (t 2 ) The values of the elements of the matrix of rotation angles of the aircraft are determined, the current angular position of the aircraft is determined from the values of the elements of the matrix of rotation angles.
Благодаря указанной новой совокупности существенных признаков при реализации заявленного способа обеспечивается согласование по поляризации между приемной ТОВАС и полем приходящей электромагнитной волны радиоизлучающего объекта с известными координатами, что исключает возникновение дополнительных ошибок в определении углового положения летательного аппарата, следовательно, указывает на возможность повышения точности определения угловой ориентации летательного аппарата, в условиях искажения или подавления навигационного поля спутниковых радионавигационных систем GPS/ГЛОНАСС.Thanks to this new set of essential features, when implementing the claimed method, polarization matching is ensured between the receiving TOVAS and the field of the incoming electromagnetic wave of a radio-emitting object with known coordinates, which eliminates the occurrence of additional errors in determining the angular position of the aircraft, therefore indicating the possibility of increasing the accuracy of determining the angular orientation aircraft, in conditions of distortion or suppression of the navigation field of GPS/GLONASS satellite radio navigation systems.
Дополнительно, определение ориентации вектора напряженности электрического поля в пространстве, позволяет исключить операции сканирования по пространственным и поляризационным параметрам, что позволит сократить временные затраты при измерении параметров сигналов от радиоизлучающих объектов с известными координатами.Additionally, determining the orientation of the electric field strength vector in space makes it possible to eliminate scanning operations based on spatial and polarization parameters, which will reduce the time required when measuring the parameters of signals from radio-emitting objects with known coordinates.
Заявленное изобретение поясняется чертежами, на которых показаны: на фиг. 1 углы ориентации летательного аппарата в трехмерном пространстве;The claimed invention is illustrated by drawings, which show: FIG. 1 angles of orientation of the aircraft in three-dimensional space;
на фиг. 2 ориентация вектора напряженности электрического поля в трехмерном пространстве относительно ТОВАС;in fig. 2 orientation of the electric field strength vector in three-dimensional space relative to TOWAS;
на фиг. 3 графическое представление определения линии положения радиоизлучающего объекта с известными координатами;in fig. 3 graphical representation of determining the position line of a radio-emitting object with known coordinates;
на фиг. 4 графическое представление способа определения угловой ориентации летательного аппарата в пространстве;in fig. 4 is a graphical representation of a method for determining the angular orientation of an aircraft in space;
на фиг. 5 зависимость ошибки измерения углов ориентации летательного аппарата в пространстве от отношения сигнал/шум;in fig. 5 dependence of the error in measuring the orientation angles of the aircraft in space on the signal-to-noise ratio;
на фиг. 6 зависимость ошибки измерения угла курса от отношения сигнал/шум при различных коэффициентах эллиптичности принимаемого радиосигнала.in fig. 6 dependence of the heading angle measurement error on the signal-to-noise ratio for different ellipticity coefficients of the received radio signal.
Использование ЛА в качестве платформы для развертывания средств радиомониторинга связано с необходимостью решения ряда проблем, основными из которых являются: увеличение уровня помех, низкое отношение сигнал/шум на входе бортового радиоприемного устройства; ограниченные массогабаритные показатели полезной нагрузки на ЛА, которые не позволяют разместить на нем эффективные антенные системы и многоканальные РПУ; нестабильность ориентации ЛА в пространстве, которая приводит к резкому увеличению ошибок пеленгования и к снижению точности определения координат источников радиоизлучений (ИРИ).The use of an aircraft as a platform for deploying radio monitoring equipment is associated with the need to solve a number of problems, the main of which are: an increase in the level of interference, a low signal-to-noise ratio at the input of the on-board radio receiver; limited weight and size indicators of the payload on the aircraft, which do not allow the placement of effective antenna systems and multi-channel radio control units on it; instability of the orientation of the aircraft in space, which leads to a sharp increase in direction finding errors and a decrease in the accuracy of determining the coordinates of radio emission sources (ERS).
Одной из основных систем бортовой аппаратуры управления ЛА является система определения углов ориентации ЛА в пространстве относительно выбранной опорной системы координат. Известны и широко применяются способы определения высоты, скорости и угла сноса ЛА с помощью бортового радиолокационного оборудования, бесплатформенных систем ориентации, гироскопических, магнитометрических, видеосистем, пирометрических и других систем [4].One of the main systems of on-board aircraft control equipment is the system for determining the angles of orientation of the aircraft in space relative to the selected reference coordinate system. Methods for determining the altitude, speed and drift angle of an aircraft using on-board radar equipment, strapdown orientation systems, gyroscopic, magnetometric, video systems, pyrometric and other systems are known and widely used [4].
В настоящее время проблема повышения точности определения углов ориентации ЛА решается путем комплексирования систем ориентации различных типов, в том числе использование сигналов спутниковых радионавигационных систем GPS/ГЛОНАСС. Однако, в условиях искажения или подавления навигационного поля спутниковых радионавигационных систем GPS/ГЛОНАСС, необходимо предусмотреть резервную систему определения углов ориентации ЛА.Currently, the problem of increasing the accuracy of determining aircraft orientation angles is being solved by integrating orientation systems of various types, including the use of signals from GPS/GLONASS satellite radio navigation systems. However, in conditions of distortion or suppression of the navigation field of GPS/GLONASS satellite radio navigation systems, it is necessary to provide a backup system for determining aircraft orientation angles.
Традиционные комплексы пассивной радиолокации (радиомониторинга) реализуют угломерные способы и методы определения координат объекта, которые основаны на ортогональности фронта фаз к направлению на ИРИ. Основой данных способов пеленгования радиосигналов принято считать различие времени прихода радиоволны в разнесенные точки пространства. Повышение точности пеленгования в большинстве случаев достигается увеличением базы пеленгаторной АС, то есть разнесением в пространстве ее антенных элементов (АЭ), что невозможно ввиду ограниченных габаритных размеров ЛА [5,6].Traditional passive radar (radio monitoring) complexes implement goniometric methods and methods for determining the coordinates of an object, which are based on the orthogonality of the phase front to the direction to the RES. The basis of these methods of direction finding of radio signals is considered to be the difference in the time of arrival of a radio wave at spaced points in space. Increasing the accuracy of direction finding in most cases is achieved by increasing the base of the direction-finding AS, that is, by spacing its antenna elements (AE) in space, which is impossible due to the limited overall dimensions of the aircraft [5,6].
Известен другой класс методов определения координат излучающего объекта, основанный на ортогональности векторов напряженности электрического и магнитного поля [7, 8], которые могут быть использованы для решения обратной задачи координатометрии, то есть для определения собственных координат и ориентации ЛА в пространстве. Указанные методы становится особо актуальным при использовании малогабаритных летательных аппаратов в качестве платформы для развертывания средств пеленгования ИРИ.Another class of methods for determining the coordinates of a radiating object is known, based on the orthogonality of the electric and magnetic field strength vectors [7, 8], which can be used to solve the inverse problem of coordinateometry, that is, to determine the aircraft’s own coordinates and orientation in space. These methods become especially relevant when using small-sized aircraft as a platform for deploying direction-finding means for radioactive sources.
В рассматриваемых способах используется информация о местоположении ИРИ, содержащаяся в пространственной ориентации вектора напряженности электрического поля Е в точке приема. Согласно способа ОМП ИРИ с борта летательного аппарата [7] существует возможность определения направления на реперные радиостанции с помощью, сосредоточенной ТОВАС, с использованием которой определяют поляризацию радиосигнала в точке приема.The methods under consideration use information about the location of the irradiated source contained in the spatial orientation of the electric field strength vector E at the receiving point. According to the IRI WMD method from on board an aircraft [7], it is possible to determine the direction to reference radio stations with the help of concentrated TOVAS, which is used to determine the polarization of the radio signal at the receiving point.
Пространственная ориентация вектора напряженности электрического поля на летательном аппарате Е в пространстве характеризуется тремя его ортогональными составляющими в системе координат ЛА, которые определяется с помощью, сосредоточенной ТОВАС, состоящей из трех антенных элементов АЭх, АЭу, AЭz.The spatial orientation of the electric field strength vector on the aircraft E in space is characterized by its three orthogonal components in the aircraft coordinate system, which are determined using a concentrated TOVAS, consisting of three antenna elements AE x , AE y , AE z .
Существуют различные методы определения ориентации твердого тела в трехмерном пространстве, каждый из которых имеет свои достоинства и недостатки. Наиболее распространенным методом определения ориентации твердого тела в трехмерном пространстве является метод углов Эйлера, согласно которому твердое тело может быть переведено из начального положения в любое конечное положение с помощью трех последовательных поворотов вокруг осей OZ, OY, ОХ на соответствующие углы курса крена и тангажа (см. фиг. 1).There are various methods for determining the orientation of a rigid body in three-dimensional space, each of which has its own advantages and disadvantages. The most common method for determining the orientation of a rigid body in three-dimensional space is the Euler angle method, according to which a rigid body can be transferred from the initial position to any final position using three successive rotations around the OZ, OY, OX axes at the corresponding heading angles roll and pitch (see Fig. 1).
Измерения и расчеты выполняют в топоцентрической ДСК OXYZ и ДСК связанной с летательным аппаратом ОлаХлаYлаZла в которой центр координат Ола совмещен с центром ТОВАС, оси ОлаХла, ОлаYла, ОлаZла направленны по ортогональным АЭх, АЭу, AЭz соответственно (см. фиг.1).Measurements and calculations are performed in a topocentric DSC OXYZ and a DSC associated with the aircraft O la X la Y la Z la in which the coordinate center of O la is combined with the center of TOVAS, the axes O la X la, O la Y la, O la Z la are directed along orthogonal AE x , AE y , AE z, respectively (see Fig. 1).
Выбирают N≥3 независимых радиоизлучающих объектов (In) с известными координатами (xn; yn, zn) и эллиптически поляризованными радиоизлучениями, где n=1…N- номер радиоизлучающего объекта.Select N≥3 independent radio-emitting objects (I n ) with known coordinates (x n ; y n , z n ) and elliptically polarized radio emissions, where n=1...N is the number of the radio-emitting object.
Измеряют параметры сигналов от радиоизлучающих объектов с известными координатами в связанной с летательным аппаратом ДСК, для чего в моменты времени t1 и t2 измеряют значения ортогональных компоненты Exn, Eyn и Ezn не менее двух векторов напряженности электрического поля Еn в общем случае эллиптически поляризованного аналогового радиосигнала на АЭх, АЭу,и AЭz ТОВАС соответственно.The parameters of signals from radio-emitting objects with known coordinates are measured in the DSC associated with the aircraft, for which, at times t 1 and t 2 , the values of the orthogonal components E xn , E yn and E zn of at least two electric field strength vectors E n are measured in the general case elliptically polarized analog radio signal to AE x , AE y , and AE z TOVAS, respectively.
Определяют ориентацию векторов напряженности электрического поля En(t1) и Ent2) в ДСК OXYZ путем векторного сложения соответствующихортогональных компонент Ех,n(t1), Еу,n(t1) и Ez,n(t1), определяют параметры направляющего вектора tn путем векторного произведение векторов En(t1), En(t2) (фиг. 2).The orientation of the electric field strength vectors E n (t 1 ) and E n t 2 ) in the OXYZ DSC is determined by vector addition of the corresponding orthogonal components E x,n(t1) , E y,n(t1) and E z,n(t1) , determine the parameters of the guide vector t n by the vector product of the vectors E n(t1) , E n(t2) (Fig. 2).
На фиг. 1 и фиг. 2 приняты следующие обозначения антенных элементов сосредоточенной ТОВАС: 1 - АЭх,2 - АЭy,3 - АЭz, которые образуют ДСК связанную с летательным аппаратом OлаXлаYлаZла, а оси ОлаХла, OлаYла OлаZла направленны по ортогональным АЭх, АЭу, АЭz соответственно, а также летательный аппарат, углы ориентации которого определяют - 4.In fig. 1 and fig. 2, the following designations of the antenna elements of the concentrated TOVAS are adopted: 1 - AE x , 2 - AE y , 3 - AE z , which form the DSC associated with the aircraft O la X la Y la Z la , and the axes O la X la , O la Y la O la Z la are directed along orthogonal AE x , AE y , AE z , respectively, as well as the aircraft, the orientation angles of which are determined by - 4.
Определяют параметры направляющего вектора ln который в соответствии с поляризационным способом пеленгования ИРИ [7, 8] характеризует линию положения излучающего объекта в пространстве и может быть однозначно определен параметрами линии пересечения вспомогательных плоскостей Ωn(t1) и Ωn(t2), которые проходят через точку с координатами радиоизлучающего объекта In (xn; yn zn) и перпендикулярны векторам напряженности электрического поля En(t1) и En{t2), измеренным в моменты времени t1 и t2 соответственно (фиг. 3).Determine the parameters of the direction vector l n which, in accordance with the polarization method of direction finding of the RES [7, 8], characterizes the position line of the emitting object in space and can be uniquely determined by the parameters of the line of intersection of the auxiliary planes Ω n (t 1 ) and Ω n (t 2 ), which pass through the point with the coordinates of the radio-emitting object I n (x n ; y n z n ) and are perpendicular to the electric field strength vectors E n (t 1 ) and E n {t 2 ), measured at times t 1 and t 2 , respectively ( Fig. 3).
На фиг. 3 приняты следующие обозначения: 5 - радиоизлучающий объект с известными координатами; 6 - линия положения излучающего объекта в пространстве; 7.1 - вспомогательная плоскость Ωn(t1) проходящая через точку с координатами радиоизлучающего объекта In (xn; yn; zn) и перпендикулярная вектору напряженности электрического поля En(t1), измеренному в момент времени t2 - вспомогательная плоскость Ωn(t2), проходящая через точку с координатами радиоизлучающего объекта In (xn; yn zn) и перпендикулярная вектору напряженности электрического поля En (t2), измеренному в момент времени h.In fig. 3 the following designations are adopted: 5 - radio-emitting object with known coordinates; 6 - line of position of the emitting object in space; 7.1 - auxiliary plane Ω n (t 1 ) passing through the point with the coordinates of the radio-emitting object I n (x n ; y n ; z n ) and perpendicular to the electric field strength vector E n (t 1 ), measured at time t 2 - auxiliary plane Ω n (t 2 ), passing through the point with the coordinates of the radio-emitting object I n (x n ; y n z n ) and perpendicular to the electric field strength vector E n (t 2 ), measured at time h.
Учитывая, что в прямоугольной системе координат направляющий вектор не отделим от прямой линии [9] при определении параметров линии положения излучающего объекта достаточно определить параметры направляющего вектора. На основе теории электромагнитного поляД. К. Максвелла для нахождения параметров направляющего вектора ln необходимо найти векторное произведение векторов En (t1) и En (t2):Considering that in a rectangular coordinate system the direction vector is not separable from a straight line [9], when determining the parameters of the position line of the emitting object, it is enough to determine the parameters of the direction vector. Based on the theory of electromagnetic fieldD. K. Maxwell, to find the parameters of the direction vector l n, it is necessary to find the vector product of the vectors E n (t 1 ) and E n (t 2 ):
На фиг. 3 отображено графическое представление определения линий положения радиоизлучающего объекта с известными координатами ln, как линии пересечения вспомогательных плоскостей Ωn(t1) и Ωn(t2), проходящих через точку с координатами радиоизлучающих объектов In (xn; yn zn) и перпендикулярных соответствующим векторам напряженности электрического поля En (t1) и En (t2), измеренных в моменты времени t1 и t2 соответственно. Ориентацией и перемещением в пространстве летательного аппарата за указанный временной интервал можно пренебречь.In fig. Figure 3 displays a graphical representation of the definition of the position lines of a radio-emitting object with known coordinates l n , as the line of intersection of the auxiliary planes Ω n (t 1 ) and Ω n (t 2 ), passing through the point with the coordinates of radio-emitting objects I n (x n ; y n z n ) and perpendicular to the corresponding electric field strength vectors E n (t 1 ) and E n (t 2 ), measured at times t 1 and t 2 , respectively. The orientation and movement in space of the aircraft during the specified time interval can be neglected.
Зная координаты ЛА и координаты радиоизлучающих объектов (реперных станций), возможно определить параметры истинного направляющего вектора на реперную станцию в топоцентрической системе координат (lлa х n; lлa у n; lлa z n) согласно выражений [9]:Knowing the coordinates of the aircraft and the coordinates of radio-emitting objects (reference stations), it is possible to determine the parameters of the true direction vector to the reference station in the topocentric coordinate system (l la x n; l la y n; l la zn ) according to the expressions [9]:
где (хла ула zла) - координаты ЛА; (xn;yn; zn) - координаты n-го радиоизлучающего объекта (реперной станции).where (x la y la z la ) are the coordinates of the aircraft; (x n ; y n ; z n ) - coordinates of the n-th radio-emitting object (reference station).
Значения углов ориентации ЛА в пространстве заложены в несоответствии измеренных lизм и истинных lлa направляющих векторов на реперную станцию, и находятся в результате решения системы уравнений, полученной путем приравнивания измеренных и истинных значений направляющих векторов на реперные станции (фиг.4).The values of the orientation angles of the aircraft in space are based on the discrepancy between the measured l measurements and the true l la guide vectors to the reference station, and are found as a result of solving a system of equations obtained by equating the measured and true values of the guide vectors to the reference stations (Fig. 4).
На фиг.4 отображено графическое представление способа определения угловой ориентации ЛА в пространстве и приняты следующие обозначения OлаXлаYлаZла - ДСК связанная с летательным аппаратом, OXYZ-топоцентрическаяДСК, OX'Y'Z' - ДСК полученная параллельным переносом осей топоцентрической ДСК с новым центром в точке координат ЛА (хла; ула; zла).Figure 4 shows a graphical representation of the method for determining the angular orientation of an aircraft in space and the following notations are adopted: O la X la Y la Z la - DSC associated with the aircraft, OXYZ-topocentricDSK, OX'Y'Z' - DSC obtained by parallel transfer of the topocentric axes DSC with a new center at the coordinate point of the aircraft (x la ; y la; z la ).
На фиг. 4 цифрами обозначены: 4 - летательный аппарат, углы ориентации которого определяют; 5.1 - первый радиоизлучающий объект с известными координатами; 5.2 - второй радиоизлучающий объект с известными координатами; 5.3 - радиоизлучающий объект с известными координатами под номером N; 6.1 - линия положения первого излучающего объекта в пространстве; 6.2 - линия положения второго излучающего объекта в пространстве; 6.3 - линия положения излучающего объекта под номером N пространстве;In fig. 4 numbers indicate: 4 - aircraft, the orientation angles of which are determined; 5.1 - the first radio-emitting object with known coordinates; 5.2 - second radio-emitting object with known coordinates; 5.3 - radio-emitting object with known coordinates under number N; 6.1 - line of position of the first emitting object in space; 6.2 - line of position of the second emitting object in space; 6.3 - line of position of the emitting object number N in space;
Измеренные параметры направляющего вектора (lизмxn; lизмyn; lизмzn) в связанной СК преобразуют в топоцентрическую СК за счет последовательного перемножения измеренного направляющего вектора lлa на три матрицы поворота соответствующие углам Эйлера The measured parameters of the guide vector (l measxn ; l meas ; l measzn ) in the associated CS are converted into a topocentric CS by sequentially multiplying the measured guide vector l la by three rotation matrices corresponding to Euler angles
Таким образом принимая радиосигнал от n-ой реперной станций получают систему линейных уравнений:Thus, receiving a radio signal from the n-th reference station, a system of linear equations is obtained:
где a11; a12; a13; a21; a22; a23; a31; a32 a33; элементы матрицы углов Эйлера определяемые по формуламwhere a 11 ; a 12 ; a 13 ; a 21 ; a 22 ; a 23 ; a 31 ; a 32 a 33 ; elements of the Euler angle matrix determined by the formulas
Для нахождения значений элементов матрицы поворота, необходимо обеспечить прием сигналов минимум от трех реперных станций, в результате будут получены три системы линейных уравнений, которые после группировки по неизвестным переменным примут вид:To find the values of the elements of the rotation matrix, it is necessary to ensure the reception of signals from at least three reference stations; as a result, three systems of linear equations will be obtained, which, after grouping by unknown variables, will take the form:
Решая данные системы уравнений одним из известных методов например, матричным методом, определяются значения элементов матрицы поворота, после чего находят углы ориентации ЛА, которые определяются выражениями:By solving these systems of equations using one of the well-known methods, for example, the matrix method, the values of the elements of the rotation matrix are determined, after which the orientation angles of the aircraft are found, which are determined by the expressions:
Проверка возможности достижения сформулированного технического результата была проведена путем компьютерного моделирования [10], результаты которого подтвердили возможность определения углов ориентации ЛА в пространстве. Точность измерения углов ориентации ЛА в пространстве зависит от отношения сигнал/шум на входе радиоприемного устройства комплекса пассивной радиолокации (фиг. 5), а также от поляризационных параметров радиосигналов реперных источников радиоизлучений, таких как коэффициент эллиптичности (г) и угла наклона эллипса поляризации (фиг. 6).The possibility of achieving the formulated technical result was verified by computer simulation [10], the results of which confirmed the possibility of determining the orientation angles of the aircraft in space. The accuracy of measuring the orientation angles of the aircraft in space depends on the signal-to-noise ratio at the input of the radio receiver of the passive radar complex (Fig. 5), as well as on the polarization parameters of radio signals from reference sources of radio emissions, such as the ellipticity coefficient (r) and the angle of inclination of the polarization ellipse (Fig. .6).
Реализация разработанного способа преимущественно целесообразна при размещении ТОВАС на подвижном объекте, в частности на летательном аппарате, функционирующего условиях априорной неопределенности относительно поляризационных и пространственных параметров радиосигналов, шумов и помех. Особенностью разработанного способа является использование в качестве координатно-информативного параметра поляризации радиоизлучения,The implementation of the developed method is mainly advisable when placing TOVAS on a moving object, in particular on an aircraft operating under conditions of a priori uncertainty regarding the polarization and spatial parameters of radio signals, noise and interference. A feature of the developed method is the use of radio emission polarization as a coordinate-informative parameter,
Точность определения углов ориентации ЛА по сравнению со способом прототипом предположительно составляет 10…15% в зависимости от количества радиоизлучающих объектов с известными координатами, топологии их взаимного размещения относительно ЛА, поляризационных параметров сигналов радиоизлучающих объектов и отношения сигнал/шум на входе радиоприемного устройства ЛА.The accuracy of determining the orientation angles of the aircraft in comparison with the prototype method is supposed to be 10...15%, depending on the number of radio-emitting objects with known coordinates, the topology of their relative placement relative to the aircraft, the polarization parameters of the signals of radio-emitting objects and the signal-to-noise ratio at the input of the aircraft's radio receiver.
Источники информации:Information sources:
1. Алешечкин A.M. Способ угловой ориентации объекта по сигналам спутниковых радионавигационных систем. Патент №2446410 МПК G01S 5/02 (2010.01). Бюл. №9 от 27.03.12. Заявка №2010152184/07 от 20.12.10.1. Aleshechkin A.M. Method of angular orientation of an object using signals from satellite radio navigation systems. Patent No. 2446410 IPC G01S 5/02 (2010.01). Bull. No. 9 dated 03/27/12. Application No. 2010152184/07 dated 12/20/10.
2. Давыденко А.С, Кудряшева П.А., Ошуев A.M., Смирнов П.Л., Терентьев А.В., Царик О.В., Шмидт М.В. Способ и устройство определения угловой ориентации летательных аппаратов. Патент №2740606. МПК G01S 5/02 (2010.01). Бюл. №2 от 15.01.21. Заявка №2020117700 от 18.05.20.2. Davydenko A.S., Kudryasheva P.A., Oshuev A.M., Smirnov P.L., Terentyev A.V., Tsarik O.V., Schmidt M.V. Method and device for determining the angular orientation of aircraft. Patent No. 2740606. IPC G01S 5/02 (2010.01). Bull. No. 2 from 01/15/21. Application No. 2020117700 dated 05/18/20.
3. Корнев В.В., Чмутин Н.Ф. Способ определения угловой ориентации летательного аппарата в среде глобальных радионавигационных систем. Патент №2578671 МПК G01S 5/02 (2010.01). Бюл. №9 от 27.03.16. Заявка №2015108365/07 от 11.03.15.3. Kornev V.V., Chmutin N.F. A method for determining the angular orientation of an aircraft in the environment of global radio navigation systems. Patent No. 2578671 IPC G01S 5/02 (2010.01). Bull. No. 9 dated 03.27.16. Application No. 2015108365/07 dated 03/11/15.
4. Парамонов П.П., Жаринов И.О. Интегрированные бортовые вычислительные системы: обзор современного состояния и анализ перспективразвития в авиационном приборостроении // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2013. №2(84). С.1-17.4. Paramonov P.P., Zharinov I.O. Integrated on-board computer systems: review of the current state and analysis of development prospects in aviation instrument making // Scientific and Technical Bulletin of Information Technologies, Mechanics and Optics. 2013. No. 2(84). P.1-17.
5. Богдановский С.В., Симонов А.Н., Севидов В.В. Поляризационный способ определения ориентации БЛА // Успехи современной радиоэлектроники. 2017. №10. С.15-19.5. Bogdanovsky S.V., Simonov A.N., Sevidov V.V. Polarization method for determining the orientation of a UAV // Advances in modern radio electronics. 2017. No. 10. P.15-19.
6. Богдановский С.В., Симонов А.Н., Теслевич С.Ф., Махетов А.Б. Способ определения координат беспилотного летательного аппарата на основе поляризационной обработки радиоизлучений реперных станций // Наукоемкие технологии. 2017. Т. 18, №11. С.16-21.6. Bogdanovsky S.V., Simonov A.N., Teslevich S.F., Makhetov A.B. A method for determining the coordinates of an unmanned aerial vehicle based on polarization processing of radio emissions from reference stations // Science-intensive technologies. 2017. T. 18, No. 11. P.16-21.
7. Богдановский С.В., Ледовская К.Г., Севидов В.В., Симонов А.Н., Григорьев В.В. Способ поляризационного пеленгования радиосигналов с использованием триортогональной антенной системы. Патент №2713866 МПК G01S 5/04 (2006.01). Бюл. №4 от 07.02.20. Заявка №2019110575 от 09.04.2019.7. Bogdanovsky S.V., Ledovskaya K.G., Sevidov V.V., Simonov A.N., Grigoriev V.V. Method of polarization direction finding of radio signals using a triorthogonal antenna system. Patent No. 2713866 IPC G01S 5/04 (2006.01). Bull. No. 4 dated 02/07/20. Application No. 2019110575 dated 04/09/2019.
8. Богдановский С.В., Ледовская К.Г., Севидов В.В., Симонов А.Н. Способ поляризационного пеленгования радиосигналов с использованием триортогональной антенной системы. Патент №2702102 МПК G01S 5/04 (2006.01). Бюл. №28 от 04.10.19. Заявка №2018136463 от 15.10.2018.8. Bogdanovsky S.V., Ledovskaya K.G., Sevidov V.V., Simonov A.N. Method of polarization direction finding of radio signals using a triorthogonal antenna system. Patent No. 2702102 IPC G01S 5/04 (2006.01). Bull. No. 28 dated 10/04/19. Application No. 2018136463 dated 10/15/2018.
9. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. -М.: Наука, 1973. - 832 с. 9. Korn G., Korn T. Handbook of mathematics for scientists and engineers. -M.: Nauka, 1973. - 832 p.
10. Богдановский СВ. Программный модуль расчета углов ориентации летательного аппарата в пространстве на основе поляризационных измерений. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ №2023684577 Бюл. №11 от 16.11.23. Заявка №2023684107 от 14.11.23.10. Bogdanovsky SV. Software module for calculating the orientation angles of an aircraft in space based on polarization measurements. Certificate of registration of a computer program No. 2023684577 Bulletin. No. 11 dated 11/16/23. Application No. 2023684107 dated 11/14/23.
Claims (1)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2821640C1 true RU2821640C1 (en) | 2024-06-25 |
Family
ID=
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5995043A (en) * | 1996-12-06 | 1999-11-30 | The Boeing Company | Aircraft satellite navigation precision-approach system including CDMA datalink |
| DE102009059694B3 (en) * | 2009-12-18 | 2011-03-17 | Astrium Gmbh | Method for determining position of spacecraft by multiple transmitters, involves measuring three orthogonal components of electromagnetic radiation fields on spacecraft |
| RU2446410C1 (en) * | 2010-12-20 | 2012-03-27 | Федеральное Государственное Автономное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Сибирский Федеральный Университет" (Сфу) | Method of angular orientation of object by signals of satellite radio-navigation systems |
| CN104050362A (en) * | 2014-06-05 | 2014-09-17 | 南京航空航天大学 | Cooperation source electromagnetic wave space structure correlation information-based antenna pointing direction induction method |
| RU2578671C1 (en) * | 2015-03-11 | 2016-03-27 | Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт точных приборов" | Method of determining angular orientation in global radio navigation systems |
| RU2740606C1 (en) * | 2020-05-18 | 2021-01-15 | Общество с ограниченной ответственностью "Специальный Технологический Центр" | Method and device for determining angular orientation of aircrafts |
| RU2741072C1 (en) * | 2020-07-27 | 2021-01-22 | федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военная академия связи имени Маршала Советского Союза С.М. Буденного" Министерства обороны Российской Федерации | Method of determining coordinates of a radio-frequency source from an aircraft board using a tri-orthogonal dipole antenna system |
| RU2779283C1 (en) * | 2021-11-24 | 2022-09-05 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации | Method for determining an object's own location in space and a device implementing it |
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5995043A (en) * | 1996-12-06 | 1999-11-30 | The Boeing Company | Aircraft satellite navigation precision-approach system including CDMA datalink |
| DE102009059694B3 (en) * | 2009-12-18 | 2011-03-17 | Astrium Gmbh | Method for determining position of spacecraft by multiple transmitters, involves measuring three orthogonal components of electromagnetic radiation fields on spacecraft |
| RU2446410C1 (en) * | 2010-12-20 | 2012-03-27 | Федеральное Государственное Автономное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Сибирский Федеральный Университет" (Сфу) | Method of angular orientation of object by signals of satellite radio-navigation systems |
| CN104050362A (en) * | 2014-06-05 | 2014-09-17 | 南京航空航天大学 | Cooperation source electromagnetic wave space structure correlation information-based antenna pointing direction induction method |
| RU2578671C1 (en) * | 2015-03-11 | 2016-03-27 | Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт точных приборов" | Method of determining angular orientation in global radio navigation systems |
| RU2740606C1 (en) * | 2020-05-18 | 2021-01-15 | Общество с ограниченной ответственностью "Специальный Технологический Центр" | Method and device for determining angular orientation of aircrafts |
| RU2741072C1 (en) * | 2020-07-27 | 2021-01-22 | федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военная академия связи имени Маршала Советского Союза С.М. Буденного" Министерства обороны Российской Федерации | Method of determining coordinates of a radio-frequency source from an aircraft board using a tri-orthogonal dipole antenna system |
| RU2779283C1 (en) * | 2021-11-24 | 2022-09-05 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации | Method for determining an object's own location in space and a device implementing it |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US5943008A (en) | Single global positioning system receiver capable of attitude determination | |
| JP5329409B2 (en) | A method for fusing multiple GPS measurement types into a weighted least squares solution | |
| US6587761B2 (en) | Unambiguous integer cycle attitude determination method | |
| US11215714B2 (en) | Deceiving signal detection system and deceiving signal detection method | |
| US8791859B2 (en) | High precision radio frequency direction finding system | |
| CN110058204B (en) | Satellite-borne antenna beam center calibration method based on directional diagram matching | |
| US11821997B2 (en) | Techniques for determining geolocations | |
| RU2654321C1 (en) | Method of determining coordinates of spacecraft by signals of navigation satellites and device for determining coordinates of spacecraft by signals of navigation satellites | |
| JP2017133861A (en) | System for calibrating installation angle of antenna and method for calibrating installation angle of antenna | |
| US6816117B2 (en) | Distributed antenna system and method | |
| WO2017063032A1 (en) | Determining elevation and bearing information of a remote point | |
| US7515104B2 (en) | Structured array geolocation | |
| RU2821640C1 (en) | Method of determining angular orientation of aircraft | |
| JP2005249629A (en) | Electric wave incoming direction specifying system | |
| JP2008241079A (en) | Navigation system | |
| RU2706636C1 (en) | Method of determining coordinates of a spacecraft based on signals of navigation satellites and a device for determining coordinates of a space vehicle from signals of navigation satellites | |
| Giorgi | The multivariate constrained LAMBDA method for single-epoch, single-frequency GNSS-based full attitude determination | |
| US6782320B1 (en) | Method and system of single-antenna determination of position, time, and attitude of a moving object by satellite navigation | |
| RU2483324C1 (en) | Method for aircraft navigation on radar images of earth's surface | |
| RU2536609C1 (en) | Method and device for determining coordinates of radio-frequency source | |
| KR20180083174A (en) | Apparatus and method for detecting direction of arrival signal in Warfare Support System | |
| Cheung et al. | Differencing Methods for 3D Positioning of Spacecraft | |
| RU2815168C1 (en) | Method of determining object's own location in space | |
| RU2712365C1 (en) | Method of determining coordinates of a spacecraft based on signals of navigation satellites and a device for determining coordinates of a space vehicle from signals of navigation satellites | |
| RU2791981C2 (en) | Method for dynamic adjustment of antenna array with electronic scanning of ship radar station |