Устройство для персональной навигации и ориентации

Устройство относится к области приборостроения, в частности, к устройствам персональной автономной навигации и ориентации и может быть использовано для решения задач индивидуальной или корпоративной навигации и ориентации в геологии, военном и автомобильном деле, туризме и альпинизме. Устройство для персональной навигации и ориентации на основе переносной измерительно-вычислительной системы индивидуального пользования содержит три канала автономных измерений и обработки информации - гравиметрический, тахометрический и магнитометрический, каждый из которых выполнен по схеме последовательного соединения датчиков первичной информации через аналого-цифровой преобразователь интерфейса с соответствующими вычислителями блока обработки информации, соединенными в свою очередь с устройствами вывода информации. Датчики первичной информации, входящие в состав блока датчиков информации, выполнены на основе трехкомпонентных блоков гравиметров-акселерометров, гироскопов-тахометров и магнитометров. В блок обработки информации в магнитометрический канал дополнительно введены вычислители калибровок и погрешностей монтажа магнитометров, вычислитель параметров магнитного поля основания, вычислитель грубой и точной начальной выставки, основания, вычислители вариаций сигналов магнитометров и текущих координат, соединенные между собой последовательно, а также вычислители параметров геомагнитного поля, функций чувствительностей и координат базовой и контрольных точек маршрута, соединенные со всеми тремя каналами автономных измерений, при этом все вычислители выполнены на основе микросхем с шестнадцатиразрядной сеткой.

Полезная модель относится к области приборостроения, в частности, к устройствам персональной автономной навигации и ориентации (навигации и ориентации, не зависящих от сигналов внешних источников - навигационных спутников, наземных и подвижных контрольных станции, звезд и др.) и может быть использовано для решения задач индивидуальной или корпоративной навигации и ориентации в геологии, военном и автомобильном деле, туризме и альпинизме, при автомобильных и пешеходных путешествиях, в рыболовстве и охоте, спорте и отдыхе на природе, а также при проведении аварийно-востановительных и поисково-спасательных работ (пожарными, спасателями, военными, полицейскими и др.).

В практической индивидуальной деятельности каждого человека иногда возникают ситуации, связанные с необходимостью решения не только задачи персональной навигации (мининавигации), но и с решением задачи локальной ориентации (например, определение углов курса пешехода или индивидуального транспортного средства в процессе реализации алгоритмов персональной навигации, определение углов ориентации линий визирования (углов надира и зенита, углов азимутального визирования) удаленных предметов (например, целей), определение углов наклона продольных и поперечных профилей дорог (например, при изыскании, строительстве дорог или при дорожно-транспортных происшествиях), углов профилей местности, холмов и гор, определение угловых высот удаленных ориентиров (мачт, труб, геодезических знаков, отдельных зданий, сооружений, холмов, гор, планет, звезд и пр.).

Известно устройство персонального автономного навигатора (ПАН) («Гироскопия и навигация» 2, 2003 г, с.68-75), реализующего принцип инерциального счисления пройденного пути на основе метода интегрирования по времени сигналов инерциальных датчиков (акселерометров и гироскопов). В качестве датчиков первичной информации в устройстве использованы микромеханические акселерометры и гироскопы, выполненные по технологии MEMS (Микро - Электро - Механических Систем). Работа инерциального навигатора полностью автономна. Однако из-за проявления больших погрешностей инерциального счисления пройденного пути, обусловленных влиянием нулевых сигналов акселерометров (a_x; a_y; a_z) и собственных дрейфов гироскопов (_x; _y; _z), время автономной работы навигатора - ориентатора было ограничено интервалом работы, не превышающим 10-15 минут.

Для повышения точности работы персонального автономного навигатора и одновременно для увеличения продолжительности времени его непрерывной работы в дальнейшем в навигаторе был введен режим периодически проводимой коррекции инерциального канала измерений (через каждые t=5-10 минуты) по сигналам спутниковой навигационной системы (CHC) GPS в режиме вынужденной остановки (в режиме ZUPT). Однако при этом периодически теряется свойство автономности навигатора, кроме того канал ориентации (если он реализуется полностью в навигаторе) остается без коррекции и характеризуется быстрым накоплением погрешностей по времени.

Известно устройство персональной спутниковой навигации (ПСН) в виде индивидуальных приемников радиосигналов глобальных спутниковых навигационных систем (GPS, ГЛОНАСС, Бэйдоу, Galileo). Использование устройств ПСН для целей персональной навигации отражено в ряде патентов и источников (например, И.А. Липкин. Спутниковые навигационные системы - М: Вузовская книга, 2006 - 288 с) и реализовано в многочисленных производственных образцах фирм Garmin, Globalsat, Magellan и других, широко используемых на практике индивидуальными потребителями.

Персональные спутниковые навигаторы (ПСН) обеспечивают высокоточное определение всех координат точек текущего местоположения объекта, на котором находится ПСН. Однако это устройство не является автономным и в настоящее время не позволяет решать задачу локальной ориентации. Кроме того, использование этого устройства на практике характеризуется значительной сложностью, высокой себестоимостью (особенно устройств внешнего сегмента), невысоким показателем помехоустойчивости, отказоустойчивости и доступности. На показатели помехоустойчивости и отказоустойчивости СНС, и в частности, ПСН, существенно влияют следующие реальные факторы:

1. многолучевость антенны спутников и навигатора;

2. вредное влияние ионосферы Земли на радиосигналы навигационных спутников;

3. влияние неполной и нерациональной геометрической конфигурации навигационных спутников (альманаха спутников);

4. вредное влияние экранирования радиосигналов навигационных спутников наземными объектами.

Ситуация усугубляется тем, что с учетом реальных факторов (в том числе и организационно-экономических) орбитальная группировка (ОГ) навигационных спутников (НС) по реальным условиям эксплуатации может уменьшиться с 24 (при штатной комплектации) до 7-9 НС (и даже менее, при сокращенной комплектации). Такое сокращенное количество HC не может обеспечить полноценное функционирование ПСН по сигналам трех-четырех HC, принимаемым на обширных территориях Земли. В таких условиях для покрытия всей территории Земли вероятность навигационных определений падает до величины P<0,1 (менее 10%)

В этих условиях приходится искать альтернативное техническое решение, способное обеспечить достойную конкуренцию персональному навигатору ПСН. В качестве такой конкуренто-способной альтернативы в настоящее время принято считать комплексное устройство, реализующее интегрированный способ инерциальной спутниковой навигации, в котором объединены два способа:

1. способ спутниковой навигации;

2. способ инерциальной навигации.

При этом за счет интеграции двух способов навигации в одном устройстве обеспечивается взаимное подавление недостатков каждого отдельного способа и усиление их достоинств.

Известен персональный инерцально-спутниковый навигатор (ПИСН) HSGPS(журнал Гироскопия и навигация, 4, 2004, с.49-64),состоящий из высокочувствительного GPS-приемника и инерциального измерительного блока (ИИБ),включающего в свой состав три MEMS-гироскопа и три MEMS-акселератора. Интегрированный персональный инерциально-спутниковый навигатор HSGPS может работать в нескольких режимах:

1. в режиме позиционирования по сигналом GPSприемника (в режиме ПСН);

2. в режиме автономного инерциального счисления пройденного пути по сигналам ИИБ (в режиме ПАН);

3. в режиме коррекции ИИБ по сигналам по GPS- приемника (в режиме ПСН+ПАН);

4. в режиме сохранения навигационной информации от ПСН при пропадании сигналов СНС.

Недостатки персонального инерциально-спутникового навигатора (ПИСН) заключается в том, что с помощью этого устройства не обеспечивается полная автономность работы при решении задачи персональной навигации. Кроме этого алгоритмы таких интегрированных персональных навигаторов не позволяют решать задачу локальной ориентации. Персональные навигаторы, работающие по интегрированному принципу, отличаются относительно высокой сложностью, дороговизной, недостаточной доступностью широкому потребителю, а также необходимостью реализации дополнительных алгоритмов - алгоритмов взаимной коррекции сигналов, хранения информации, вычисления навигационных невязок (алгоритмов RAIM-технологий).

Для устранения отмеченных недостатков известных устройств персональной навигации в последнее время предприняты попытки разработки комбинированных устройств персональной автономной навигации-ориентации (ПАНО) на основе комплексирования (интеграции) устройств инерциальной навигации - ориентации с другими устройствами коррекции (например, инерциально-астрономические, инерциально-барометрические, инерциально-магнитометрические и другие системы навигации и ориентации).

Наиболее близким к предлагаемому варианту комбинированного устройства для персональной навигации является персональный полуавтономный навигатор, разработанный ООО Текнол на базе модифицированной инерциально - магнито - метрически - спутниковой навигационной системы (прототип). Такой персональный инерциально -магнитометрически - спутниковый навигатор (ПИМСН) представляет собой полуавтономное устройство индивидуального пользования, состоящее из каналов инерциальных (акселерометрических, тахометрических), магнитометрических измерений и канала спутниковой навигации. Основную часть навигатора составляет канал инерциальной навигации с кратковременными коррекциями и начальной привязкой к базовой точке по сигналам СНС.Магнитометрический канал навигатора служит для коррекции работы канала инерциального счисления пройденного пути. В случае проявления больших магнитных возмущений для коррекции могут быть использованы сигналы коррекции СНС (Ресурс сети Internet: http://www.Teknol.ru).

Недостатками данного устройства является неполная автономность работы навигатора, зависимость работы навигатора от конфигурации и работы группы спутников СНС и проявление погрешностей, присущих инерциальным каналам навигации. Кроме того данное комплексное устройство персональной навигации не позволяет решать задачу локальной ориентации.

Задача создания настоящей полезной модели заключается в разработке индивидуального средства для персональной навигации-ориентации, обладающего свойством автономности, возможностью использования в любых наземных условиях, а также возможностью решения задачи ориентации (т.е. устройства, свободного от недостатка спутникового навигатора) и свойством высокой точности без накопления во времени и пространстве погрешностей в определении параметров навигации и ориентации (т.е. устройства, свободного от недостатка инерциального навигатора-ориентатора), что позволяет снизить погрешности в решении задач навигации и ориентации при использовании навигатора-ориентатора в любых наземных условиях.

Поставленная задача достигается тем, что в персональном инерциально - магнитометрически - спутниковом навигаторе (принимаемом за прототип) полностью исключают канал спутниковой навигации (за счет этого обеспечивают приобретение свойства автономности), работу каналов инерциальных измерений формируют с использованием сигналов прецизионных инерциальных (гравиметрических и тахометрических) датчиков и вычислителей, работающих не на основе использования интегральных алгоритмов инерциальной навигации-ориентации, обеспечивающих кинематическое позиционирование, а на основе использования безынтегральньгх алгоритмов навигации - ориентации, обеспечивающих геометрическое позиционирование, (таким путем обеспечивают повышение точности решения задачи персональной ориентации), а работу магнитометрического канала измерений формируют с использованием трехкомпонентного блока прецизионных магнитометров и вычислителей, работающих не на основе алгоритмов коррекции показаний инерциального канала измерений, а на основе реализации алгоритмов калибровки и идентификации погрешностей монтажа магнитометров, а также алгоритмов дифференциальной геомагнитной навигации, обеспечивающих геометрическое позиционирование, (таким путем повышают точность решения задачи персональной навигации).

Таким образом, предлагаемое устройство для персональной автономной навигации - ориентации устраняет отмеченные недостатки как аналогов, так и прототипа.

Предлагаемое устройство для персональной навигации - ориентации поясняется чертежами:

На Фиг.1 - представлена структурная блок-схема устройства, поясняющая общее устройство (состав) навигатора - ориентатора;

На Фиг.2 - представлена функциональная блок-схема устройства, поясняющая более конкретно состав и работу навигатора-ориентатора. На Фиг.1 приняты следующие обозначения:

1 - блок магнитометров,

2 - блок гравиметров - акселерометров,

3 - блок гироскопов - тахометров,

4 - блок обработки информации (микропроцессор),

5 - органы управления,

6 - блок вывода информации,

7 - порты коммуникации,

8 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП),

9 - цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП),

10 - блок питания.

На фиг.2 приняты следующие обозначения:

1, 2, 3 - блоки магнитометров, гравиметров, гиротахометров,

4 - АЦП,

5, 6, 7 - вычислители калибровок гироскопов, гравиметров-акселерометров, магнитометров,

8, 9, 10 - вычислители погрешностей монтажа гироскопов, гравиметров и магнитометров,

11 - вычислитель идентификации магнитного поля основания,

12 - вычислитель грубой начальной выставки,

13 - вычислитель углов ориентации основания,

14 - вычислитель точной начальной выставки,

15 - вычислитель координат базовой точки,

16 - вычислитель параметров геомагнитного поля и функций чувствительностей,

17 - вычислитель вариаций показаний магнитометров,

18 - вычислитель вариаций координат,

19 - вычислитель текущих координат,

20 - ЦАП,

21 - блок вывода информации.

Устройство для персональной навигации-ориентации представляет собой миниатюрную переносную измерительно-вычислительную систему индивидуального пользования (Фиг.1). В состав блока датчиков информации (БДИ) входят три трехкомпонентных блока 1, 2, 3. Блок магнитометров 1 в качестве чувствительных элементов использует малогабаритные прецизионные феррозонды с погрешностями измерений, не превышающими<T>50 нТл. Блоки гравиметров 2 и тахометров 3 выполнены на основе использования прецизионных миниатюрных маятниковых кварцевых акселерометров и волоконно-оптических гироскопов, обладающих нулевыми сигналами, не превышающими предельно допустимых величин (<а>10^-6g и <>0,1 о/час).

Связь датчиков первичной информации 1, 2, 3 с блоком обработки информации (БОИ) 4 осуществляется через аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 8, а связь блока вывода информации 6 и элементов 5,7 с блоком обработки информации 4 обеспечивается через цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) 9. АЦП 8 и ЦАП 9 реализуют на основе использования интерфейса стандартного кода RS-232. В качестве блока обработки информации 4 используют 16-разрядный стандартный микропроцессор. Для питания элементов 1-9 используют стандартный блок питания 10, выполненный в виде никелево-кадмиевого или серебряно-кадмиевого электрохимического источника тока.

В отношении конструктивного исполнения навигатор-ориентатор может быть выполнен в виде специализированного моноблока, все элементы которого смонтированы в общем корпусе, а размеры и конфигурация определяются выбором основных элементов навигатора-ориентатора (гироскопов, акселерометров, феррозондов, мини-дисплея).

Навигатор-ориентатор может быть выполнен в многоблочном конструктивном исполнении. При этом устройство выполняют состоящим из нескольких конструктивно законченных блоков, связанных между собой с помощью жгутов электрических связей, осуществляемых через мини-порты коммуникации. Наиболее целесообразно выполнить устройство многоблочного исполнения навигатора-ориентатора, состоящего из двух блоков: измерительного блока (блока датчиков информации 1, 2, 3) и регистрирующего (индикаторного) блока (блока электроники с элементами 4-9, блока индикации 5 и блока питания 10). В качестве индикаторного блока в этом случае целесообразно использовать уже готовые информационные изделия индивидуального пользования с широкоформатным мини-дисплеем с высокой разрешающей способностью не менее 500×500 пикселей (например, широкоформатный мобильный телефон с сенсорным управлением или малогабаритный планшетный персональный компьютер). Механическое соединение измерительного и индикаторного блоков с фиксацией их взаимного положения при движении по маршруту может быть предусмотрено исходя из конкретных условий эксплуатации. На фиг 2. представлена более конкретная схема, раскрывающая устройство и работу навигатора-ориентатора по каналам измерений:

- по каналу тахометрических измерений (3-4-5-8-13),

- по каналу гравиметрических измерений (2-4-6-9-13),

- и по каналу магнитометрических измерений (1-7-10-11-12-14-15-16-17-18-19)

Канал тахометрических измерений представляет собой схему последовательных соединений блока гироскопов - тахометров 3 через АЦП 4 с вычислителями 5, 8 и 13 БОИ. Причем вычилитель калибровок 5 и вычислитель погрешностей монтажа 8 гироскопов связаны между собой и с вычислителем углов ориентации основания 13 последовательно. Выход вычислителя 13 связан со входом вычислителя 15, входящего в состав магнитометрического канала измерений, а также через ЦАП 20 с блоком вывода информации 21.

Канал гравиметрических измерений представляет собой схему последовательных соединений блока гравиметров - акселерометров 2 через АЦП 4 с последовательно соединенными вычислителями калибровок гравиметров 6, погрешностей монтажа гравиметров 9 и углов ориентации основания 13. Вычислитель углов ориентации основания 13 входит одновременно и в канал тахометрических измерений и в канал гравиметрических измерений. Объединение каналов тахометрических и гравиметрических измерений в один общий канал - канал инерциальных измерений - обеспечивает решение задачи ориентации основания.

Для решения задачи навигации предназначен магнитометрический канал. Канал магнитометрических измерений представляет собой схему последовательного соединения блока магнитометров 1 через АЦП 4 с вычислителями БОИ (7, 10, 11, 12, 14, 15, 16, 17, 18, 19). Причем вычислитель калибровок магнитометров 7, вход которого связан с соответствующим выходом АЦП 4, в свою очередь последовательно связан с вычислителем погрешностей монтажа 10, вычислителем идентификации магнитного поля основания 11, вычислителями грубой и точной начальной выставки 12-14, вычислителем вариаций показаний магнитометров 17 и вычислителем вариаций координат 18. Вычислитель 15 предназначен для определения координат базовой точки, относительно которой в дальнейшем определяются координаты контрольных точек маршрута. Вход вычислителя координат базовой точки 15 связан с выходами вычислителей 13 и 14. Выход вычислителей 15 связан со входами вычислителей 16 и 19. Вычислитель 16 предназначен для определения параметров нормального геомагнитного поля и функций чувствительностей в контрольной точке местоположения основания навигатора на маршруте. Вход вычислителя 16 связан с выходами вычислителей 13, 15 и 19. Выход вычислителя 16 связан со входом вычислителя 17.

Вычислитель 19 предназначен для определения текущих координат местоположения навигатора на маршруте в контрольных точках. Вход вычислителя 19 связан с выходом вычислителя 15, а выход вычислителя 19 связан со входом вычислителя 16 и через ЦАП 20 с блоком вывода информации (БВИ) 21. Информация об углах ориентации (, , r) основания навигатора, определенная в контрольных точках маршрута и полученная на выходе вычислителя 13, подается через ЦАП 20 на БВИ 21. Навигационная информация в виде координат текущего местоположения (, , r) основания навигатора, определенная в тех же контрольных точках маршрута и полученная на выходе вычислителя 19, передается через ЦАП 20 на БВИ 21.

Устройство для персональной навигации и ориентации работает следующим образом (Фиг.2). Датчики первичной информации (блоки 1, 2, 3), входящие в состав блока датчиков информации (БДИ), выдают в блок обработки информации (БОИ) сигналы комплексной информации в осях связанной с основанием навигатора системы координат XYZ:

- сигналы гравиметрической информации

от блока 3,

- сигналы тахометрической информации

от блока 2,

- сигналы магнитометрической информации

от блока 1.

Персональный автономный навигатор-ориентатор может работать в одном из четырех режимов:

- в режиме калибровки и идентификации датчиков информации,

- в режиме ориентации,

- в режиме начальной выставки,

- в режиме навигации.

Выбор и активация режима работы навигатора-ориентатора обеспечивают путем нажатия потребителем на экране поз.21 устройства виртуальной кнопки РЕЖИМ и фиксации ее в соответствующем положении (КАЛИБРОВКА / ИДЕНТИФИКАЦИЯ", ОРИЕНТАЦИЯ, ВЫСТАВКА, "НАВИГАЦИЯ"). Активация выбранного режима работы устройства сводится к реализации соответствующих вычислительных операций с помощью соответствующего набора вычислителей 5-19, входящих в состав БОИ.

В режиме «КАЛИБРОВКА / ИДЕНТИФИКАЦИЯ», выполняемом индивидуально для каждого конкретного образца навигатора-ориентатора до реализации остальных режимов работы, предварительно проводят калибровку метрологических характеристик блоков 1, 2, 3 и решают задачу идентификации магнитного поля объекта (то-есть магнитного поля самого навигатора-ориентатора).

Калибровка блоков 1, 2, 3 сводится к определению в лабораторных условиях на специальном технологическом оборудовании инструментальных погрешностей датчиков первичной информации:

- вычисление погрешностей масштабных коэффициентов гравиметров (k_Г), тахометров (k_Т), магнитометров (k_М) и нулевых сигналов блоков (a; ; T) с помощью вычислителей 5, 6, 7;

- вычисление погрешностей монтажа блоков 1, 2, 3 на общем основании устройства (матриц углов монтажа В_а; В_г; В_м ) с помощью вычислителей 8, 9, 10.

Алгоритмы калибровок инерциальных датчиков (акселерометров и гироскопов) по нулевым сигналам обеспечивают вычисления векторов ошибок в вычислителях 5 и 6:

Данные о выявленных инструментальных погрешностях блоков записывают через АЦП 4 в соответствующий сегмент долговременной памяти БОИ и используют в дальнейшем для вычисления скорректированных сигналов датчиков в каналах тахометрических (ТМ) и гравиметрических (ГМ) измерений.

Алгоритмы коррекции сигналов инерциальных датчиков в вычислителе 13 с учетом предварительно вычисленных погрешностей масштабных коэффициентов (k_а; k_г), матриц монтажа В_а; В_г и векторов нулевых сигналов :

При идентификации МПО на основе уравнений Пуассона в соответствии с методикой и технологией идентификации, изложенными в патенте (RU 1633930, опубликованном 24.07.89), с учетом использования эталонной информации об углах ориентации корпуса устройства (_u; _u; _u), получаемой по алгоритмам ориентации, и информации от блока магнитометров 1 в вычислителе 11 БОИ по алгоритмам идентификации вычисляют соответствующие параметры МПО и элементы матрицы S.

Алгоритм калибровки блока магнитометров с учетом предварительно проведенной операции идентификации МПО и операции вычисления погрешностей масштабных коэффициентов обеспечивает вычисление в вычислителе 12 вектора нулевых сигналов магнитометров :

Алгоритм коррекции блока магнитометров в вычислителе 12:

Алгоритмы калибровок и идентификации погрешностей блоков датчиков с последующей коррекцией их сигналов реализуют в вычислителях 5-12 (Фиг.2).

Информация о результатах идентификации МПО (S; P; Q; R) и вычисления погрешностей блоков датчиков (; ; ; ; ; записывают в соответствующий сегмент долговременной памяти БОИ (при нажатии на виртуальную кнопку «ФУНКЦИИ» поз.21 с выбором команды «СОХРАНИТЬ») и в дальнейшем используют в рабочих режимах работы устройства для персональной навигации-ориентации.

В режиме «ОРИЕНТАЦИЯ» (активируемом путем нажатия потребителем на экране поз.21 устройства виртуальной кнопки «ОРИЕНТАЦИЯ») в работу включают блоки инерциальных датчиков 2 и 3, которые через АЦП 4 подают в режиме остановки основания сигналы и в БОИ. При этом активируются каналы тахометрических и гравиметрических измерений (к каналам инерциальных датчиков 2 и 3 подключают вычислители 5, 6, 7, 8, 9 и 13 Фиг.2).

В соответствии с конкретными условиями решения задачи ориентации с помощью визирного устройства или механического контакта корпусу устройства придают вполне определенное положение в пространстве (ориентированное) или по линии маршрута с заданным направлением движения (курсом, азимутом), или по линии визирования удаленных объектов, или по средней линии профилей, подлежащих идентификации и пр).

Вычислитель 13 получает из сегментов долговременной памяти БОИ информацию о скорректированных сигналах блоков инерциальных датчиков и вычисляет функции углов ориентации основания по алгоритмам ориентации - алгоритмам аналитического гиро - горизонт - широт -компасирования (функции углов тангажа крена курса и широты ):

Причем ускорение свободно падающего тела

Принимают угловую скорость вращения Земли

(T_з - звездные сутки; Т _з=23 ч 56 мин 4,091 с=86164,09 с),

Информация о средних значениях оценок углов ориентации основания , вычисленных по алгоритмам (10)-(13) хранится в оперативной памяти БОИ (при нажатии на виртуальную кнопку «ФУНКЦИИ» поз.21 с выбором команды «СОХРАНИТЬ»), выводится в численной и наглядной графической форме на дисплей поз.21 БВИ и в дальнейшем используется синхронно в реальном масштабе времени при работе навигатора в других режимах («КАЛИБРОВКА / ИДЕНТИФИКАЦИЯ», «ВЫСТАВКА», «НАВИГАЦИЯ»).

Режим начальной выставки персонального навигатора выполняется непосредственно перед реализацией рабочего режима персональной навигации. В режиме начальной выставки (активируемом путем нажатия потребителем на экране поз.21 устройства виртуальной кнопки «ВЫСТАВКА» в режиме остановки основания) в работу включаются все три канала измерений: тахометрический (3-4-5-8-13), гравиметрический (2-4-6-9-13) и магнитометрический (1-4-7-10-11-12-14-15-16-17-18-19). При этом блоки 1,2,3 датчиков информации через АЦП 4 подают сигналы , и в вычислители калибровок 5, 6, 7, затем в вычислители идентификации погрешностей 8, 9, 10, 11 с последующим вычислением в вычислителях 12 и 13 скорректированных сигналов ; ; .

В режиме начальной выставки основания каналы инерциальных измерений одновременно включаются в режим «ОРИЕНТАЦИЯ» и реализуют алгоритмы гиро-горизонт-широт-компасирования с целью определения функций углов в ориентации основания (, , ) и географической широты () месторасположения устройства, необходимых для вычисления в вычислителях 12 и 14 параметров базовой точки А₀ с координатами ₀, ₀, r₀.

В сегменте постоянной памяти БОИ хранятся файлы цифровой карты местности и файлы алгоритмов обработки информации в различных режимах работы навигатора-ориентатора. После активации режима «ВЫСТАВКА» на экран устройства выводится информация о цифровой карте местности с выбором ее отдельных фрагментов пользователем в соответствии с реальной обстановкой местности. Пользователь выбирает на визуализированной на экране поз.21 карте местности хорошо идентифицированный объект, наблюдаемый одновременно на реальной местности, и подтверждает выбор этого объекта в качестве базовой точки А₀ сенсорным прикосновением к соответствующей точке на карте местности. Вычислитель 12 по табулированным параметрам цифровой карты местности определяет координаты ₀, ₀, r₀ базовой точки А₀ , выбранной потребителем при начальной выставке. Затем в вычислителях 14 и 15 по координатам базовой точки А₀ (₀, ₀, r₀) ^по формулам, соответствующим заданию стандартной аналитической модели МПЗ в форме JGRF (например, модели WMM - 2010), вычисляют компоненты нормального МПЗ в проекциях на оси нормальной земной системы координат x_g y _g z_g (ГОСТ - 20058 - 80):

Для конкретности принимают, например, степень , порядок .

Информация о координатах выбранной базовой точки А₀ (₀, ₀, r₀) и параметрах МПЗ, вычисленных (, , ) по формулам (14) для базовой точки, в дальнейшем хранится в оперативной памяти БОИ (при нажатии на виртуальную кнопку «ФУНКЦИИ» с выбором команды «СОХРАНИТЬ»), выводится в численной и наглядной графической форме на дисплей поз.21 БВИ и в дальнейшем используется синхронно в реальном масштабе времени при работе навигатора в режиме «НАВИГАЦИЯ».

В режиме «НАВИГАЦИЯ» (активируемом путем сенсорного прикосновения потребителем на экране поз.21 устройства к виртуальной кнопке «НАВИГАЦИЯ») в работу включают все блоки датчиков информации (1-3), все вычислители и элементы (4- 20) БОИ и БВИ (21)-фиг.2. При этом вычислители реализуют алгоритмы работы навигатора-ориентатора в режимах «ОРИЕНТАЦИЯ», «ВЫСТАВКА», «НАВИГАЦИЯ». Каналы инерциальных и магнитометрических измерений работают в полной конфигурации.

В режиме «НАВИГАЦИЯ» устройство для персональной навигации работает одновременно как по алгоритмам ориентации (10)-(13), так и по алгоритмам дифференциальной геомагнитной навигации с использованием информации о стандартных аналитических моделях МПЗ (JGRF / WMM - 2010), и фигуры Земли (WGM - 84 или ПС - 90). При этом в процессе перемещения устройства для персональной навигации в пространстве в контрольных точках маршрута А (, , r) изменяются сигналы T_x; T_y; T _z, получаемые от блока 1 магнитометров. Эти сигналы в режиме кратковременной остановки подают через АЦП 4 в БОИ, в котором с помощью вычислителей 16-19 по алгоритмам дифференциальной геомагнитной навигации вычисляют функции чувствительностей F_ij (в вычислителе 16), вариации МПЗ (в вычислителе 17), вариации координат (в вычислителе 18) и сами координаты контрольной точки А текущего местоположения навигатора (в вычислителе 19).

Информация о текущих координатах , , r контрольных точек А отображается наглядно на изображении карты местности с помощью экрана БВИ (21). При этом на экране БВИ (21) визуализируют изображение карты местности с указанием на ней контрольной точки А (, , r) местоположения устройства для персональной навигации и базовой точки А₀ (₀, ₀, r₀). Кроме того по указанию пользователя предлагаемого устройства на экран БВИ может быть выведена дополнительная (сервисная) информация (например, сведения о географических координатах текущей контрольной А (, ) и базовой А₀ (₀, ₀) точек, расстояния между соответствующими точками и пр.)

По желанию потребителя параметры, характеризующие пройденный маршрут, могут быть сохранены с целью дальнейшего их анализа и использования. Для этого потребитель использует соответствующее меню и виртуальную клавиатуру на экране БВИ (при нажатии на виртуальную кнопку «СОХРАНИТЬ ПАРАМЕТРЫ МАРШРУТА» сведения об этих параметрах для всего маршрута записывают и хранят в соответствующих сегментах долговременной памяти БОИ).

С помощью органов управления 5 на экран 6 (фиг.1) может быть выведена дополнительная (сервисная) информация (например, информация о длине пройденного пути, средней величине скорости перемещения, направлении (азимуте) на интересующие объекты местности, о расстояниях до соответствующих объектов, о начальном, промежуточном и конечном курсе и пр.).

С помощью портов коммуникации 7 могут быть подключены к устройству для персональной навигации дополнительные датчики первичной информации или устройства обмена информацией (мобильный телефон, персональный компьютер, приемник сигналов СНС и др.) с целью расширения функций, выполняемых устройством для персональной навигации-ориентации.

Примерами возможного практического применения устройства для персональной автономной навигации-ориентации может быть использование навигатора-ориентатора для целей проведения в неизвестной местности скрытой военной разведки и в условиях отсутствия или сильной зашумленности сигналов СНС, а также - для целей автономного определения параметров полотна дороги (углов продольного и поперечного профилей дороги и угла азимутальной ориентации осевой линии дороги) при дорожно-транспортных происшествиях и пр.

Устройство для персональной навигации и ориентации на основе переносной измерительно-вычислительной системы индивидуального пользования с тремя каналами автономных измерений и обработки информации - гравиметрическим, тахометрическим и магнитометрическим, каждый из которых выполнен по схеме последовательного соединения датчиков первичной информации через аналого-цифровой преобразователь интерфейса с соответствующими вычислителями блока обработки информации, соединенными в свою очередь с устройствами вывода информации, при этом датчики первичной информации, входящие в состав блока датчиков информации, выполнены на основе трехкомпонентных блоков гравиметров-акселерометров, гироскопов-тахометров и магнитометров, отличающееся тем, что в блок обработки информации в магнитометрический канал дополнительно введены вычислители калибровок и погрешностей монтажа магнитометров, вычислитель параметров магнитного поля основания, вычислитель грубой и точной начальной выставки, основания, вычислители вариаций сигналов магнитометров и текущих координат, соединенные между собой последовательно, а также вычислители параметров геомагнитного поля, функций чувствительностей и координат базовой и контрольных точек маршрута, соединенные со всеми тремя каналами автономных измерений, при этом все вычислители выполнены на основе микросхем с шестнадцатиразрядной сеткой.