Аппаратура счисления координат с автоматической коррекцией показаний

Авторы патента:

Полезная модель относится к области навигации и может быть использовано для определения местоположения наземных объектов, при их движении по априорно известным траекториям, например, автомобильным дорогам. Движение по априорно известным траекториям предполагает периодическое прохождение объектом промежуточных точек. Технический эффект состоит в повышении точности вырабатываемых координат при теоретически неограниченной протяженности маршрута объекта за счет проведения коррекции координат с привлечением информации промежуточных точек, в которых координаты и ориентация касательной к траектории объекта определены с известной точностью.

Полезная модель относится к области навигации и может быть использована для определения местоположения наземных объектов, при их движении по априорно известным траекториям, например, автомобильным дорогам.

Известно устройство [1] коррекции погрешностей определения местоположения рельсового транспортного средства, содержащее блок определения пройденного пути, блок измерения углов поворота системы координат, образуемой рельсовым транспортным средством, и устройство внешней памяти, выходы и входы которых подключены к соответствующим входам и выходам схемы сопряжения, вход и выход которой подключены к ЭВМ, выполненной с возможностью программной обработки измерительной информации, идентификации корректирующих точек и коррекции координаты рельсового транспортного средства, причем все входы питания вышеперечисленных устройств подключены к выходу блока питания.

Недостатком описанного устройства являются снижение точности определения местоположения вследствие невозможности уточнения местоположения на прямолинейных участках траектории объекта; необходимости измерения пройденного пути; неоднозначности при идентификации корректирующих точек на участках траектории, совпадающих по форме с секторами окружностей; присвоения координат виртуальной корректирующей точки.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату при использовании, является аппаратура счисления координат (АСК) с автоматической коррекцией показаний [2], включающая путевую систему, курсовую систему, блок вычисления приращений координат, блок ввода начальных координат и арифметическое устройство, причем выход путевой системы соединен с соответствующим входом блока вычисления приращений координат,

выходы которого по приращениям координат _X и _Y соединены с соответствующими входами арифметического устройства, вторые входы которого соединены с выходами блока начальных координат по координатам Х_H и Y_H соответственно, хранитель эталонных координат, преобразователь приращений координат, блок сравнения, блок обнаружения схода с маршрута, три сумматора и три блока разности, при этом выходы арифметического устройства соединены с первыми входами второго и третьего сумматора, вторые входы которых соединены с выходами второго и третьего блоков разности соответственно, выходы блока ввода начальных координат соединены с соответствующими входами хранителя эталонных координат и преобразователя приращений координат, выходы хранителя эталонных координат по эталонным значениям координат промежуточных точек соединены с первыми входами второго и третьего блоков разности соответственно, а выходы по модулю и углу эталонного радиус-вектора промежуточных точек соединены с первыми входами блока сравнения и первого блока разности соответственно, вторые входы блока сравнения и первого блока разности соединены с выходами преобразователя приращений координат по модулю и углу приборного радиус-вектора соответственно, выход курсовой системы соединен с первым входом первого сумматора, выход которого соединен с соответствующим входом блока вычисления приращений координат, выход первого блока разности соединен с вторым входом первого сумматора и с входом блока обнаружения схода с маршрута, выход которого является выходом аппаратуры, выход блока сравнения соединен с управляющими входами хранителя эталонных координат, первого, второго, третьего сумматоров и блока обнаружения схода с маршрута, выходы второго и третьего сумматоров соединены с соответствующими входами преобразователя и вторыми входами второго и третьего блоков разности и являются выходом всей аппаратуры по координатам.

Прототип имеет следующие недостатки.

1. Снижение точности счисления координат за счет неточной фиксации момента приближения к промежуточной точке на участках маршрута, близких по форме к сектору окружности. При этом может быть получено два и более одинаковых приборный радиуса вектора, равных эталонному радиусу вектору. Это может привести либо к ложному формированию сигнала "сход с маршрута", в результате чего не будет проведена дискретная подстройка координат и угла направления движения, как следствие, увеличится погрешность счисления координат; либо, в случае проведения дискретной подстройки координат и угла направления движения скорректированные координаты будут содержать случайную погрешность определения местоположения наземного транспортного средства (НТС). В обоих случаях снижается точность счисления координат.

2. Снижение точности счисления координат вследствие того, что выработанные АСК координаты Х_ПР, Y_ПP замещаются координатами промежуточной точки Х_Э, Y_Э. Это снижает точность скорректированных координат до уровня точности координат Х_Э, Y_Э промежуточной точки.

Целью полезной модели является повышение точности счисления координат.

Сущность предлагаемой полезной модели состоит в том, что в известную АСК с автоматической коррекцией показаний, содержащую путевую систему (ПС), курсовую систему (КС), блок вычисления приращений координат (БВПК), блок ввода начальных координат и арифметическое устройство (АУ), причем выходы ПС и КС соединены с соответствующим входами БВПК, выходы которого по приращениям координат X и Y соединены с соответствующими входами АУ, вторые входы которого соединены с выходами блока начальных координат по координатам Х_H и Y_H соответственно, для уточнения координат НТС, осуществляющего движение по маршруту, включающему известные промежуточные точки, введены хранитель координат промежуточных точек и углов ориентации касательных к линии маршрута в них, блок проверки

и формирования данных (БПФД), формирователь погрешностей (ФП), блок априорных параметров точности (БАПТ) и два сумматора координат (СК), выходы которых являются выходами АСК с автоматической коррекцией показаний, входы по погрешностям координат x, у соединены с соответствующими выходами ФП, входы по текущим счисляемым координатам X_i и Y_i связаны с соответствующими выходами АУ, входы ФП по координатам Х_Э, Y_Э промежуточной точки и углу _Э ориентации касательной к маршруту в промежуточной точке связаны с соответствующими выходами БПФД, входы ФП по счисляемым координатам Х_ЭS, Y_ЭS связаны с соответствующими выходами БПФД, входы БПФД по текущим счисляемым координатам X_i и Y_i связаны с соответствующими выходами АУ, вход БПФД по текущему углу ориентации _i связан с выходом КС, входы БПФД по координатам Х_Э, Y_Э промежуточной точки и углу _Э ориентации касательной к маршруту в промежуточной точке связаны с соответствующими выходами хранителя, вход БПФД по параметрам Р_i точности счисляемых координат связан с соответствующим выходом ФП, выход БАПТ связан с входами БПФД и ФП.

Заявляемая полезная модель содержит новые элементы и связи, позволяющие повысить точность счисления координат по сравнению с прототипом.

Аппаратура счисления координат с автоматической коррекцией показаний изображена на фиг.1, где показана ее блочная схема. На фиг.2 изображена зависимость погрешностей счисляемых координат от пройденного пути в предлагаемой АСК.

На фиг.1 ПС 1, КС 2, БВПК 3, блок ввода начальных координат 4, АУ 5, хранитель координат промежуточных точек и углов ориентации касательных к линии маршрута в них 6, БПФД 7, ФП 8, БАПТ 9 и два СК 10, 11, причем выходы ПС 1 и КС 2 соединены с соответствующим входами БВПК 3, выходы которого по приращениям координат X и Y соединены с соответствующими входами АУ 5, вторые входы которого соединены с выходами блока начальных

координат по координатам X_H и Y_Н соответственно, выходы СК 10, 11 являются выходами устройства, входы по погрешностям координат x, у соединены с соответствующими выходами ФП 8, входы по текущим счисляемым координатам X_i и Y_i связаны с соответствующими выходами АУ 5, входы ФП 8 по координатам Х_Э, Y_Э промежуточной точки и углу _Э ориентации касательной к маршруту в промежуточной точке связаны с соответствующими выходами БПФД 7, входы ФП 8 по счисляемым координатам X_ЭS , Y_ЭS связаны с соответствующими выходами БПФД 7, входы БПФД 7 по текущим счисляемым координатам X_i и Y_i связаны с соответствующими выходами АУ 5, вход БПФД 7 по текущему углу ориентации _i связан с выходом КС 2, входы БПФД 7 по координатам Х_Э, Y_Э промежуточной точки и углу _Э ориентации касательной к маршруту в промежуточной точке связаны с соответствующими выходами хранителя 6, вход БПФД 7 по параметрам Р_i точности счисляемых координат связан с соответствующим выходом ФП 8, выход БАПТ 9 связан с входами БПФД 7 и ФП 8.

Устройство функционирует следующим образом. В начальной точке маршрута НТС устанавливается на ней, после чего экипаж с помощью КС 2 определяет начальное направление движения _H, затем в БВНК 3 устанавливаются координаты X_H и Y_H начальной точки движения. Сигналы координат Х_Э, Y_Э и углов _Э всех промежуточных точек маршрута передаются в БПФД 7 из хранителя координат промежуточных точек и углов ориентации касательных к линии маршрута в них 6. Сигналы Р_Т точности параметров Х_Э, Y_Э, _Э и Р₀ точности параметров X_H, Y_Н и _Н передаются в БПФД 7 и ФП 8 из БАПТ 9.

После начала движения НТС с выходов АУ 5 начинают поступать текущие счисляемые координаты X_i и Y_i, которые формируются на основании измерительных сигналов КС2 и ПС 1, приращений координат Х, Y, параметров Х_H, Y_H и _H. В каждый i-й момент выработки координат X_i и Y_i (за исключением начального момента) они, а также сигнал с выхода КС _i, поступают

в БПФД 7. В БПФД 7 проводится проверка совпадения параметров Х_i, Y_i, _i, с соответствующими параметрами Х_Э, Y_Э, _Э промежуточных точек путем установления истинности неравенства

N<n²,

где n - число, равное 2, что соответствует доверительной вероятности 95% отклонения параметров Х_i, Y_i, _i от параметров Х_Э, Y_Э, _Э; N=(z_i-b)^Т(P_i+P_Т)^-1(z_i-b), z_i =[Х_i Y_i_i]^T, b=[Х_Э Y_Э_Э]^T, символ "Т" обозначает операцию транспонирования; "-1" обозначает обращение матрицы. Матрицы Р_i , Р_T формируются в БФПД так, чтобы на главных диагоналях располагались квадраты средних квадратических погрешностей соответствующих параметров Х_i, Y_i, _i, Х_Э, Y_Э, _Э. Установление истинности проводится в отношении каждой промежуточной точки путем последовательного их перебора. В результате для известной промежуточной точки формируются наборы Х_ЭS, Y_3S, _ЭS параметров, содержащие параметры X_i, Y_i, _i, которые удовлетворяют указанному неравенству в i-й момент выработки координат. Признаком окончания формирования наборов Х_ЭS, Y_ЭS, _ЭS параметров в i-й момент является невыполнение указанного неравенства при условии, что в (i-1)-й момент оно выполнялось. В момент окончания формирования наборов X_ЭS, Y_ЭS, _ЭS, относящихся к известной промежуточной точке, сигналы ее параметров Х_Э, Y_Э, _Э и сформированных наборов поступают на соответствующие входы ФП 8.

В ФП 8 определяются сигналы погрешностей x, у координат и ориентации , а также формируются новые параметры Р_i^* точности. Это осуществляется в соответствии с формулами

K=P_i(P_i+P_T)^-1,

где m₀ - число элементов в каждом из наборов Х_ЭS, Y_ЭS, _ЭS. Сигналы погрешностей х, у координат поступают на входы СК 10, 11, где они вычитаются из сигналов соответствующих счисляемых координат, выработанных к моменту поступления сигналов x, у на входы СК10, 11. Этим достигается снижение погрешностей счисляемых координат.

Арифметические и логические операции, выполняемые в БПФД 7 и ФП 8 для получения сигналов параметров в соответствии с приведенными формулами, могут быть реализованы при помощи существующих электронно-вычислительных средств.

Для определения эффективности уменьшения погрешностей счисления координат в заявляемой полезной модели по сравнению с прототипом получим характеристики точности координат в простом случае, т.е. при прямолинейном движении НТС в произвольном, например, восточном направлении (параллельно оси Y - см. фиг.2). В этом случае средняя квадратическая погрешность (СКП) координаты Х в прототипе будет равна СКП промежуточной точки _XT. В заявляемом изобретении, исходя из формулы для P_i^* , запишем формулу для СКП координаты Х

где _Xi - СКП счисляемой координаты Х до ее уточнения. Из последней формулы видно, что , . Направление движения НТС было выбрано произвольным, поэтому и в общем случае точность определения счисляемых координат в заявляемом изобретении выше, чем в прототипе.

Далее, в заявляемой полезной модели погрешности координат определяются с привлечением параметров Х_i, Y_i, _i, полученных сразу в нескольких моментах выработки координат, а не в каком-либо одном моменте, как в прототипе. Этим параметрам в каждом моменте выработки координат, ставится в соответствие условная по отношению к известной промежуточной точке вероятность _j, что позволяет определять наиболее вероятные значения параметров навигационной системы, отнесенные к моменту, когда НТС фактически находится в известной промежуточной точке. Для доказательства того, что параметры являются более точными по сравнению с иными значениями соответствующих параметров, в т.ч. параметрами прототипа, определим СКП одного из элементов , например, счисляемой координаты X, в предлагаемом изобретении и прототипе. В предлагаемом изобретении СКП координаты X дается известными формулами

, где .

В прототипе СКП координаты Х

где - величина, на которую отличаются координаты X, определенные в соответствии с прототипом и предлагаемым изобретением. Далее, получаем

Таким образом, в общем случае , что доказывает достижение цели полезной модели.

Техническая идея в заявляемой полезной модели была экспериментально проверена на аппаратуре счисления координат, функциональный состав которой

представлен на фиг.2. На фиг.3 показана зависимость СКП счисляемых координат от пройденного пути S. Прерывистая, пунктирная и сплошная утолщенные линии соответствуют фактическим СКП _X, _Y координат X, Y и суммарной СКП . Соответствующие тонкие линии показывают СКП, полученные из параметров Р_i^* точности. На всех графиках имеются скачкообразные уменьшения СКП (всего их десять), соответствующие моментам уточнения счисляемых координат в промежуточных точках. После прохождения объектом 3-4 промежуточных точек (4-5 км хода) погрешности уточненных координат становятся меньше погрешностей координат самих промежуточных точек, СКП которых составляла 15 м. Это объясняется тем, что навигационная система и опорные точки выступают в роли независимых источников информации при получении уточненных координат местоположения. Следовательно, точность определения последних принципиально может быть выше точности априорных счисляемых координат и координат промежуточных точек.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ:

1. Патент РФ 2242392, 2002.10.03, B 61 L 25/00, G 08 G 1/123.

2. Патент РФ 2184349, 2000.12.18, G 01 C 21/12.

Аппаратура счисления координат с автоматической коррекцией показаний, включающая путевую систему, курсовую систему, блок вычисления приращений координат, блок ввода начальных координат и арифметическое устройство, причем выходы путевой системы и курсовой системы соединены с соответствующими входами блока вычисления приращений координат, выходы которого по приращениям координат x и у соединены с соответствующими входами арифметического устройства, вторые входы которого соединены с выходами блока начальных координат по координатам Х_H и Y_H соответственно, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введены хранитель координат промежуточных точек и углов ориентации касательных к линии маршрута в них, блок проверки и формирования данных, формирователь погрешностей, блок априорных параметров точности и два сумматора, выходы которых являются выходами аппаратуры счисления координат с автоматической коррекцией показаний, входы по погрешностям координат х, у соединены с соответствующими выходами формирователя погрешностей, входы по текущим счисляемым координатам X_i и Y_i связаны с соответствующими выходами арифметического устройства, выходы формирователя погрешностей по координатам Х_Э, Y_Э промежуточной точки связаны с соответствующими входами блока проверки и формирования данных, выходы формирователя погрешностей по счисляемым координатам X_ЭS, Y_ЭS связаны с соответствующими входами блока проверки и формирования данных, входы блока проверки и формирования данных по текущим счисляемым координатам X_i и Y_i связаны с соответствующими выходами арифметического устройства, вход блока проверки и формирования данных по текущему углу ориентации _i связан с выходом курсовой системы, входы блока проверки и формирования данных по координатам Х_Э, Y_Э промежуточной точки и углу _Э ориентации касательной к маршруту в промежуточной точке связаны с соответствующими выходами хранителя координат и углов ориентации, вход блока проверки и формирования данных по параметрам P_i точности счисляемых координат связан с соответствующим выходом формирователя погрешностей, выход блока априорных параметров точности связан с входами блока проверки и формирования данных и формирователя погрешностей.