Интегрированная система ориентации и навигации на основе бескарданного электростатического гироскопа и микромеханических датчиков

Изобретение относится к морскому навигационному приборостроению и может быть использовано в системах управления подводными аппаратами. Интегрированная система ориентации и навигации на основе бескарданного электростатического гироскопа и микромеханических датчиков содержит измерительный блок с тремя микромеханическими гироскопами и тремя акселерометрами, мультиантенную приемную аппаратуру спутниковой навигационной системы, блок обработки данных, бескарданный электростатический гироскоп и блок формирования разностных измерений, причем выход электростатического гироскопа подключен к первому входу блока формирования разностных измерений, второй вход которого подключен к первому выходу блока обработки данных бескарданного гирогоризонткомпаса, третий вход подключен ко второму выходу блока обработки данных бескарданного гирогоризонткомпаса, а выход блока формирования разностных измерений подключен к четвертому входу блока обработки данных. Технический результат заключается в повышения точности выработки навигационных данных по курсу при работе объекта в автономном режиме, без привлечения внешних данных со спутниковой навигационной системы.

Изобретение относится к морскому навигационному приборостроению и может быть использовано в системах управления подводными аппаратами.

Одной из проблем на пути создания малогабаритной интегрированной системы ориентации и навигации для морских подвижных объектов на базе бескарданного инерциального измерительного модуля, содержащего измерительный блок низкого уровня точности (например, на микромеханических гироскопах, нестабильность дрейфов которых составляет 30-300 град./ч.), и приемной аппаратуры спутниковых навигационных систем, является проблема обеспечения требований по точности выработки курса.

Известна интегрированная система ориентации и навигации на базе гирогоризонткомпаса «Мининавигация-К» (разработка ЦНИИ «Электроприбор», Санкт-Петеребург), которая содержит бесплатформенный инерциальный измерительный модуль на волоконнооптических гироскопах и микромеханических акселерометрах, бортовой вычислитель, устройство автокомпенсационного вращения модуля и мультиантенную приемную аппаратуру спутниковой навигационной системы. Недостатком данного устройства является высокое энергопотребление из-за устройства автокомпенсационного вращения всего модуля и достаточно большие массогабаритные характеристики для прибора данного класса.

Наиболее близкой по технической сущности к заявленному изобретению является интегрированная система ориентации и навигации Seapath 200 норвежской фирмы Seatex AS [Product Manuals - Seapath 200. Precise Heading, Attitude and Position. Seatex AS, Trondheim, Norway, 1998-05-04] для морских судов, принятая в качестве прототипа, которая содержит бескарданный гирогоризонткомпас, состоящий из блока микромеханических гироскопов, акселерометров и навигационного вычислителя, и мультиантенную приемную аппаратуру спутниковой навигационной системы. От блока микромеханических гироскопов и акселерометров в навигационный вычислитель поступают данные о параметрах ориентации и о кажущемся ускорении, а от спутниковой навигационной системы - информация о курсе, скорости и позиционные данные, далее после совместной обработки данных методом обобщенного фильтра Калмана вырабатываются оценки погрешностей по параметрам ориентации и навигационным параметрам, которые подаются в обратную связь для корректировки вырабатываемых данных.

Недостатком данного устройства является низкая точность выработки навигационных данных по курсу при работе объекта в автономном режиме, без привлечения внешних данных со спутниковой навигационной системы, вызванная низким уровнем точности микромеханических гироскопов.

Задачей заявляемого изобретения является повышения точности выработки навигационных данных по курсу при работе объекта в автономном режиме, без привлечения внешних данных со спутниковой навигационной системы.

Технический результат, достигаемый при осуществлении предполагаемого изобретения, выражается в существенном повышении времени нахождения управляемого объекта вне зоны действия спутниковых навигационных систем с выполнением требований по точности (согласно резолюции IMO А.424 (XI) от 15.11.79 г. и А.821 (ХIХ) от 23.11.95 г. для гирокомпасов.).

Указанный технический результат достигается тем, что в интегрированную систему ориентации и навигации на основе бескарданного электростатического гироскопа и микромеханических датчиков содержащую три микромеханических гироскопа, расположенные в пространстве по осям ортогонального трехгранника, три микромеханических акселерометра, ориентированные в пространстве компланарно осям микромеханических гироскопов, и блок обработки данных, дополнительно введены бескарданный электростатический гироскоп и блок формирования разностных измерений, причем выход электростатического гироскопа подключен к первому входу блока формирования разностных измерений, второй вход которого подключен к первому выходу блока обработки данных по параметрам ориентации объекта, а третий вход подключен ко второму выходу блока обработки данных по координатам места объекта, выход блока формирования разностных измерений подключен к третьему входу блока обработки данных.

На фиг.1 представлена блок-схема интегрированной системы ориентации и навигации на основе бескарданного электростатического гироскопа и микромеханических датчиков, на которой изображены: приемная аппаратура спутниковой навигационной системы ПА СНС, блок микромеханических гироскопов ММГ, блок микромеханических акселерометров ММА, бескарданный электростатический гироскоп БЭСГ, блок обработки данных ОД, блок формирования разностных измерений ФРИ и отмечены номера входов и выходов подключений ключевых модулей.

Интегрированная система ориентации и навигации на основе бескарданного электростатического гироскопа и микромеханических датчиков работает следующим образом. От блока микромеханических гироскопов и акселерометров в блок обработки данных поступают данные о параметрах ориентации и о кажущемся ускорении. Также в блок обработки данных поступает информация с блока формирования разностных измерений, куда поступают данные от бескарданного электростатического гироскопа о положении вектора кинетического момента в инерциальном пространстве. После совместной обработки данных методом обобщенного фильтра Калмана в блоке обработки данных вырабатываются оценки погрешностей по параметрам ориентации и навигационным параметрам, которые подаются в обратную связь для корректировки вырабатываемых данных. Данные от спутниковой навигационной системы используются только для начальной выставки и калибровки.

Интегрированная система ориентации и навигации может быть реализована на базе гирогоризонткомпаса, в качестве ММГ могут быть использованы чувствительные элементы фирмы Analog Devices ADXRS150 [Preliminary Technical Data, Analog Devices, 9/30/02), а в качестве ММА - ADXL202E (Preliminary Technical Data, Analog Devices, Inc., 2000], в качестве БЭСГ может быть использован прецизионный электростатический гироскоп производства ЦНИИ «Электроприбор» (В.З.Гусинский. Бескарданный электростатический гироскоп в системах ориентации космических аппаратов. Proceeding of the Second International Symposium on Inertial Technology. Beijing, October 1998, P.104-114), блок ФРИ и блок ОД могут быть реализованы на основе микроконтроллера SAK-C167 фирмы Siemens и 10-разрядного АЦП [Б.Блажнов, Л.Несенюк, В.Пешехонов, Л.Старосельцев, Миниатюрные интегрированные системы ориентации и навигации. Наука, Технология, Бизнес 5/2001], в качестве ПА СНС могут быть использованы ПА ГЛОНАСС/GPS МРК-11 [Интегрированные инерциально-спутниковые системы навигации, Сборник докладов и статей, Под общей редакцией академика РАН В.Г.Пешехонова, Составитель: д.т.н. О.А.Степанов, СПб.: ГНЦ РФ-ЦНИИ "Электроприбор", 2001. - 235 с.]

Для анализа точности предлагаемой схемы построения интегрированной системы ориентации и навигации в выработке параметров ориентации объекта была разработана в пакете Matlab (Simulink) имитационная модель функционирования интегрированной системы ориентации и навигации, включающая:

- имитационную модель движения группировки шести навигационных спутников по орбитам, близким к круговым, которая содержит формирование параметров поступательного движения центра масс в геоцентрической гринвичской системе координат ПЗ-90 (эфемеридной информации для каждого спутника) с учетом принятой модели гравитационного поля Земли;

- имитационную модель движения объекта, которая содержит задание параметров как поступательного движения его центра масс (ускорения, линейные скорости, географические и декартовые координаты в гринвичской системе координат ПЗ-90), так и вращательного относительно центра масс;

- формирование выходных данных измерительного блока на базе текущих истинных значений векторов угловой скорости и кажущегося ускорения точки размещения измерительного блока на объекте (восстановленных из модели движения объекта) с использованием массивов реализации выходных данных гироскопов и акселерометров, полученных при их стендовых испытаниях;

- дискретные рекуррентные алгоритмы основных функциональных задач измерительного блока;

- задачу фильтрации по совместной обработке с использованием алгоритмов обобщенного фильтра Калмана данных измерительного блока и приемной аппаратуры спутниковой навигационной системы.

- алгоритмы контроля погрешностей ИСОН в выработке кинематических параметров движения объекта, включающие запись их текущих значений в file.mat и построение графиков погрешностей.

Моделирование осуществлялось при следующих исходных данных:

- характеристики Земли и гравитационного поля R=6378163 - средний экваториальный радиус Земли, (м.); U _e=7.2921151467·10^-5 - угловая скорость суточного вращения Земли, (рад/с);

µ _g=3.98603·10¹⁴ - гравитационная постоянная Земли, (м³/с²);

=2.634·10²⁵ (м⁵/с² ) и =6.773·10³⁶ (м⁷/с² ) - коэффициенты разложения гравитационного потенциала [12];

Погрешности микромеханических гироскопов в проекциях на оси (i=x_b, y_b, z_b) измерительного блока:

- Mgi - нестабильность масштабных коэффициентов - случайные величины с уровнем (1=0.0060.01);

- _i - систематические составляющие дрейфов, которые характеризуют смещение нулей от пуска к пуску - случайные величины с уровнем (1=100 град./ч.);

- _i - случайные составляющие дрейфов, которые характеризуют дрейф нуля в пуске - марковские процессы первого порядка 1_gi=30 град./ч., µ_gi=1/600 (с ^-1);

- флюктуационные составляющие дрейфов - дискретные белые шумы на рабочей частоте 2_gi=300 о/ч;

Погрешности микромеханических акселерометров в проекциях на оси (i=x_b, y_b , z_b) измерительного блока:

- Mai - нестабильность масштабных коэффициентов линейных акселерометров - случайные величины с уровнем (1=0.01);

-_i - смещение нулей линейных акселерометров - случайные величины с уровнем (1=0.1 м/с²);

- a_i - дрейфы нулей линейных акселерометров - марковские процессы первого порядка 1_ai=0.03 м/с², µ_ai =0.01 (с^-1);

- флюктуационные составляющие погрешностей акселерометров в проекциях на оси ИБ - дискретные белые шумы на рабочей частоте 2_ai=0.4 м/с².

Приемная аппаратура спутниковой навигационной системы:

- D_o=1000 м;

- _o=300 м/с;

- k2_o=0.01 м/с²;

- длина базы

- неоднозначность фазовых измерений в целое число длин волн

₁=7; ₂=6; ₃=4; ₄=3; ₅=8; ₆=5;

- погрешности b_1j^ort=b_1j/, где b_1j=0.01 м;

- шумы измерений первичных навигационных параметров

_D=10 м;

=0.1 м/с;

- шумы фазовых измерений (1)

_zi=0.01 (м);

Измерительный блок

- погрешности начальной выставки (t=0):

- по параметрам ориентации

K₀=5° (по курсу); ₀=₀=1° (по углам качки);

- по составляющим вектора линейной скорости - 0.1 м/с;

- по координатам - 30 м.:

Рабочие частоты при моделировании

dt=0.01 с - дискретность моделирования движения объекта по траектории;

dT=0.01 с - дискретность работы алгоритмов;

Результаты моделирования погрешностей решения задачи ориентации объекта в предлагаемой схеме построения показаны в виде графиков на фиг.2. Из анализа графиков интегрированной системы ориентации и навигации следует, что данная система способна вырабатывать параметры ориентации с точностью, удовлетворяющей требованиям IMO (International Maritime Organization) в отличие от прототипа, погрешность выработки параметров ориентации которого в автономном режиме соизмерима с погрешностями микромеханического гироскопа (30-100 град/час).

Таким образом, введение БЭСГ и блока ФРИ позволяет повысить точность выработки курса и тем самым увеличить время работы объекта в автономном режиме, без привлечения внешних данных со спутниковой навигационной системы.

Интегрированная система ориентации и навигации на основе бескарданного электростатического гироскопа и микромеханических датчиков содержит три микромеханических гироскопа, расположенные в пространстве по осям ортогонального трехгранника, три микромеханических акселерометра, ориентированные в пространстве компланарно осям микромеханических гироскопов, блок обработки данных, отличающаяся тем, что дополнительно введены бескарданный электростатический гироскоп, и блок формирования разностных измерений, причем выход электростатического гироскопа подключен к первому входу блока формирования разностных измерений, второй вход которого подключен к первому выходу блока обработки данных по параметрам ориентации объекта, а третий вход подключен ко второму выходу блока обработки данных по координатам местоположения объекта, выход блока формирования разностных измерений подключен к третьему входу блока обработки данных.