Интегрированная система на основе бесплатформенной инерциальной навигационной системы и спутниковой навигационной системы

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

Задачей заявляемой полезной модели является значительное уменьшение указанной погрешности БИИМ за счет идентификации восточной угловой скорости дрейфа тройки ДУС'ов.

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

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

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

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

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

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

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

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

Известны интегрированные системы ориентации и навигации на базе БИНС, включающие тройку гироскопических датчиков угловой скорости (ДУС), три акселерометра кажущихся ускорений и бортовой компьютер, а также спутниковую навигационную систему либо GPS, либо ГЛОНАСС. (Анучин О.И. Интегрированные системы ориентации и навигации для морских подвижных объектов. - СПб.: ЦНИИ «Электроприбор», 2003. - 390 с.). В них значительно снижены недостатки как БИНС, так и СНС. Недостатком такой системы является невозможность ввода коррекции по углу курса, т.к. в ней не идентифицируется восточная составляющая угловой скорости дрейфа ДУСОВ (Емельянцев Г.И., Цай Тицин. О наблюдаемости восточного дрейфа инерциального измерительного модуля в условиях специального маневрирования объекта // Гироскопия и навигация, 2005, 4 (51), С.32-41.).

Известна «Интегрированная система резервных приборов для самолетов и вертолетов» (Патент RU 2337315, G10C 21/00, 2008, авторы Кожевников В.И. и др.), содержащая ЖК-индикатор, датчики полного и статического давления, модуль с инерциальными датчиками пространственной ориентации углов курса, тангажа, крена, средства СНС, бортовую навигационную систему БИНС, магнитный зонд, средства вычислений параметров движения, их отображения на экране и передачи в систему управления. Недостатком системы является ее чрезмерная сложность и потребность в применении множества групп датчиков различной физической природы. Это возможно применять в ЛА.

Известна интегрированная навигационная система по патенту RU 2263282, G01C 23|00, 2005, авторов Мезенцева А.П. и д.р., содержащая БИНС, микромеханические чувствительные элементы, СНС, приемники приема-передачи данных наземной станции слежения, имеются магнитные опоры крепления системы на подвижном объекте, схема обработки информации.

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

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

Недостатком такой системы является невозможность при начальной выставке системы, а также при нормальном, без дополнительных маневров, режиме движения идентифицировать восточную угловую скорость дрейфа тройки ДУС'ов (Емельянцев Г.И., Цай Тицин. О наблюдаемости восточного дрейфа инерциального измерительного модуля в условиях специального маневрирования объекта // Гироскопия и навигация, 2005, 4 (51), С.32-41.) и определить три угла ориентации объекта по сигналам СНС.

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

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

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

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

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

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

На фиг.3 представлены схемы поворотов систем координат.

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

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

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

На фиг.2 представлена новая схема размещения приемников СНС 3 и 4 на корпусе 7 подвижного объекта, с которым связана правая ортогональная система координат Oх ₁x₂x₃. При этом полюс О совмещен с центром подвеса подвижного объекта, ось ox₁ направлена по продольной оси объекта, ось ox₂ является его нормальной осью, а ось ох₃ направлена на правый борт по ходу движения (фиг.2, фиг.3).

При этом радиус-вектор, соединяющий центры антенн 3 и 4 приемников 1 и 2 СНС, сориентирован так, что полюс O₁ смещен вдоль оси Ox ₁, вниз от полюса О на величину и на величину - от полюса О, на величину от т.О к правому борту. При этом полюс O₂ имеет смещения вдоль этих же осей на величины - ; ; - . Система координат O₁u₁u₂ u₃ - система, оси которой параллельны соответствующим осям системы координат O₁x₁x₂ x₃, связанной с корпусом 7 ПО. В соответствии с описанным расположением антенн 3 и 4 приемники 1 и 2 СНС измеряют информацию, описываемую формулами:

₁₁H_{1, 22}H₂

где _kKH_K (k=1, 2) - географические широты и долготы ПО в т.O₁ и О₂, а Н_K - высоты этих точек, в итоге т.O₂ имеет в системе координат смещение L, h, -b. В сигналы ₂₂H₂ входят расстояния L, b и h ПО, а, следовательно, сигналы об углах поворотов ПО , , . Угловые координаты ₁, , дают возможность определить декартовы:

_iR=_{1i, i}Rcos_i=_3i(i=1, 2), H₂-H₁=h.

Из этого имеем (R - радиус Земли):

₁₂-₁₁=₁; ₃₂-₃₁=₃

где ₁, ₃ - разность декартовых географических координат по осям O₁ и О_3. В силу формулы [₁, ₂, ₃]^T=Â^T[u₁ u₂ u₃]^T

или

[₁, ₂, ₃]^T=Â^T[Lh-n] ^T

где Т - символ транспонирования, получаем

;

.

Система координат О₁₂₃ - географическая, ось О₁ которой в плоскости горизонта направлена на север, ось O₂ - по истинной вертикали вверх, а ось О₃ - на восток. Углы , , - это углы курса, тангажа и крена соответственно. Абсолютные угловые скорости географической системы координат в проекциях на ее оси (i=1, 2, 3) определяются по формулам:

;

;

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

Интегрированная система работает следующим образом.

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

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

;

;

; ;

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

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

Определитель имеет вид:

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

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

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

;

где Т - постоянная времени, причем T(1050)с для обеспечения фильтрации сигналов от GPS. Так, для углов * и * имеем:

Эти выражения показывают, что задача разрешима: три угла _GPS, *, * определены по сигналам GPS с привлечением информации БИНС. Углы ₁, ₁, ₁ используются в БИНС и являются выходными для интегрированной системы навигации.

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

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