Навигационный комплекс

 

Сущность изобретения: навигационный комплекс состоит из аппаратуры потребителя спутниковой навигационной системы, датчик углов крена, тангажа, атаки и скольжения, трехстепенного магнитного датчика направления, установленного в связанной системе координат, и бортового вычислителя, выполненного с возможностью совместной обработки сигналов от всех датчиков. Комплекс может также включать датчики линейных ускорений и угловых скоростей. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к навигации. Оно может быть использовано для повышения точности определения текущих координат и пространственных углов - курса и тангажа летательных аппаратов (ЛА). Задачи повышения точности определения текущих координат ЛА возникают при выводе ЛА в точку с заданными координатами к началу взлетно-посадочной полосы, при аэрофотосъемке для улучшения точности токопривязки аэроснимков к местности и ряде других случаев.

Аналогом изобретения, с одной стороны, может служить навигационная система [2] в которой наземная радионавигационная система применяется для периодической коррекции магнитного датчика направления (МДН), использующего горизонтальную составляющую магнитного поля Земли.

С другой стороны, аналогом и прототипом изобретения, в котором высокая точность навигационных измерений достигается за счет комплексирования (совместной обработки) сигналов от навигационных датчиков (подсистем) в вычислителе навигационного комплекса НК, являются, получившие широкое распространение НК [1] состоящие из аппаратуры потребителя спутниковой навигационной системы АП СНС [1,3] и системы пространственной ориентации в виде бесплатформенной инерциальной навигационной системы БИНС [1, 3, 5, 6] в свою очередь состоящей из прецизионной гидрометрической системы ГМС, и прецизионной акселерометрической системы АМС, установленной на ЛА в связанной системе координат, и вычислителя, в котором осуществляется комплексирование сигналов указанных подсистем. Основными недостатками аппаратуры ИНС является ее громоздкость, дороговизна и сложность в эксплуатации.

Увеличение точности навигационных измерений получается за счет комплексирования, различных по принципам действия, навигационных подсистем, включенных в навигационный комплекс НК [1, 5, 6] Под комплексирования двух и более датчиков поднимается совместная обработка их сигналов таким образом, чтобы уменьшить ошибки измерения. На фиг.1 приведена схема простейшего примера комплексирования двух измерителей, который описывается следующими выражениями При F(p) 1/(1 + Тр) (2) Y(p) = X(p)+1/(1+Tp)δ₁+Tp/(1+Tp)δ₂ (3) На фиг.1 обозначено: 1 измеритель 1 с ошибкой с широкополосным спектром, 2 измеритель 2 с ошибкой с узкополосным спектром, 3 сигнал X+δ₁, 4 сигнал X+δ₂, 5 фильтр с передаточной функцией F(p) 1/(1 + Tp), 6 - сигнал Y на выходе устройства.

Приведенные выкладки показывают, что если спектр ошибки первого датчика имеет широкую полосу, а второго узкую, то на выходе системы обработки (фильтра) будет иметь ослабление обеих составляющих ошибок. Наибольший выигрыш от комплексирования получается при малом пересечении энергетических спектров ошибок этих измерителей.

Цель изобретения точное определение текущих координат и пространственных углов ЛА за счет комплексирования [1, 5, 6, 7] в вычислителе НК сигналов от АП СНС с сигналами от системы пространственной ориентации, состоящей из сравнительно простых и недорогих авиационных датчиков: трехстепенного МДН, датчиков углов крена и тангажа и воздушных датчиков углов атаки и скольжения.

АП СНС (систем ГЛОНАСС и НАВСТАР ) позволяет определить текущие координаты и компоненты вектора скорости ЛА в земной системе координат [4] Спектр ошибок АП СНС занимает достаточно широкую полосу частот.

Магнитное поле Земли вращается совместно с поверхностью планеты, поэтому ошибок прецессии, имеющих в ИНС и связанных с вращением Земли, в такой системе не будет. Вместе с тем из-за движения ЛА вдоль земной поверхности будет медленно меняться положение магнитного вектора (углы склонения и наклонения). Спектры ошибок, связанных с изменением этих углов и с изменением угла сноса ЛА, вызываемого изменением постоянной составляющей скорости ветра, достаточно узки.

Углы тангажа и рыскания можно вычислить, соответственно, как сумму углов атаки и скольжения с углами вертикальной и горизонтальной компонент вектора скорости ЛА, измеряемого АП СНС. Так как спектры ошибок измерения АП СНС и датчиков углов атаки и скольжения довольно широки, то и вычисленные значения углов тангажа и рыскания будут иметь ошибку с широкой полосой спектра.

Сигналы, измеренные датчиками крена и тангажа, которые являются обычно гироскопическими датчиками, обладают весьма низкочастотными спектрами ошибок.

Сущность изобретения состоит в том, что в отличии от НК с ИНС, в которых отсчет пространственных углов ЛА производится относительно инерциальных осей пространства, в данном изобретении предлагается отсчет пространственных углов ЛА производить от базы, определяемой сигналами трехстепенного МДН, измеряющего составляющие вектора магнитного поля Земли, и сигналами датчиков углов тангажа, крена.

Для однозначного определения положения координатных осей ЛА в пространстве при полетах в зоне средних широт достаточно кроме углов склонения и наклонения вектора магнитного поля Земли МПЗ знать один из пространственных углов ЛА (тангажа или крена). Но при пролетах в экваториальной зоне направление оси датчика пространственного угла ЛА может совпасть с направлением вектора магнитного поля Земли. При этом резко упадет точность измерения координат. Такой проблемы не возникнет, если вводить в вычислитель НК наибольший по отклонению от оси вектора МПЗ углов крена или тангажа ЛА, непрерывно измеряемых соответствующими датчиками.

На малых отрезках времени из-за широкого спектра ошибок точность навигационных измерений в НК не высока. С целью повышения точности измерения текущих значений координат и пространственных углов ЛА, путем комплексирования сигналов в вычислителе НК, в состав НК для комплексирования в вычислителе вводятся, установленные на ЛА в связанной системе координат, датчики линейных ускорений ДЛУ и угловых скоростей ДУС, имеющие сравнительно узкие спектры ошибок.

Схема предлагаемого устройства точного измерения параметров движения ЛА изображена на фиг.2. В бортовой вычислитель НК 1 поступают сигналы величин компонент вектора магнитного поля Земли, измеренные трехстепенным МДН 2, установленном в зоне малого влияния магнитных масс на ЛА в связанной системе координат, датчиков углов крена 3 и тангажа ЛА 4 и датчиков углов атаки 8 и скольжения 9. От АП СНС 5 поступают сигналы о координатах ЛА 6 и составляющих его вектора скорости 7. Для увеличения точности измерения текущих значений координат, скоростей и пространственных углов ЛА на малых отрезках времени в состав НК (ДЛУ) 10 и угловых скоростей (ДУС) 11, установленные на ЛА в связанной системе координат. На основе данных, полученных от упомянутых выше систем и датчиков, в вычислителе на основе комплексирования вычисляются точные значения углов тангажа (12), крена (13) и рыскания (14), а также точные значения координат (15) и составляющих вектора скорости 16 ЛА. Для уменьшения времени переходных процессов в вычислитель перед стартом вводятся начальные значения координат и углов с пульта 17.

На фиг.3 приведена структурная сема программы вычислителя. Выбор конфигурации и параметров вычислителя, обеспечивающих уменьшение ошибок навигационных измерений за счет комплексирования совместной обработки - сигналов, поступающих от входящих в навигационный комплекс навигационных подсистем и отдельных датчиков, достигается за счет реализации в вычислителе алгоритма комплексирования сигналов [6, 7] На фиг.3 обозначено: 1 магнитный датчик направления; 2 вычислитель углов наклонения и склонения в связанной системе координат; 3 датчик углов тангажа и крена; 4 вычислитель углов наклонения, склонения и рыскания (магнитного) в земной системе координат; 5 фильтр, комплексирующий сигналы датчиков углов атаки, скольжения, крена, рыскания и тангажа с сигналами спутниковой навигационной системы;
6 фильтр, комплексирующий сигналы координат и скорости ЛА с сигналами датчиков линейных ускорений;
7 фильтр, комплексирующий сигналы пространственных углов с сигналами датчиков угловых скоростей;
8 аппаратура потребителя спутниковой навигационной системы;
9 датчики углов атаки и скольжения;
10 сигналы магнитного датчика направления;
11 сигналы углов склонения и наклонения;
12 сигналы углов крена и тангажа;
13 сигналы углов крена, тангажа, рыскания и углов склонения и наклонения в земной системе координат;
14 поправки к углам склонения и наклонения в земной системе координат;
15 сигналы координат и скорости ЛА после комплексирования;
16 сигналы углов крена, тангажа, рыскания;
17 сигналы датчиков линейных ускорений;
18 сигналы датчиков углов скоростей;
19 сигналы координат и скорости ЛА от аппаратуры потребителя спутниковой навигационной системы;
20 сигналы датчиков углов атаки и скольжения;
21 точные сигналы координат и скорости ЛА;
22 точные сигналы углов крена, тангажа, рыскания.

Помимо параметрической оптимизации алгоритма комплексирования [6, 7] может быть реализован оптимальный алгоритм комплексирования, обеспечивающий минимальную норму вектора ошибок, который вычисляется с помощью методов оптимальной фильтрации [1, 5] с учетом вектора наблюдения системы математической модели ошибок датчиков, а также уравнений связи (в общем случае нелинейной) между датчиками.

При вводе начальных (стартовых) значений координат и углов алгоритм оптимального фильтра, определяющий программу обработки сигналов в вычислителе, может иметь структуру с постоянными параметрами.

ЛИТЕРАТУРА
[1] Бабич О.А. Обработка информации в навигационных комплексах. М. Машиностроение, 1991.

[2] Заявка Франции 2614694. Публ. 04.11.88.

[3] Патент США 4743914. Публ. 10.05.88.

[4] Авиационная радионавигация: Справочник. Под ред. А.А. Сосновского. - М. Транспорт, 1990.

[5] Ривкин С.С. и др. Статистическая оптимизация навигационных систем. - Л. Судостроение, 1976.

[6] Челпанов И.Б. Оптимальная обработка сигналов в навигационных системах. М. Наука, 1967.

[7] Бобнев М.П. Кривицкий Б.Х. Ярлыков М.С. Комплексные системы радиовтоматики. М. Сов. радио, 1968.

Формула изобретения

1. Навигационный комплекс летательного аппарата, состоящий из аппаратуры потребителя спутниковой навигационной системы, датчиков углов крена, тангажа и бортового вычислителя, выполненного с возможностью совместной обработки сигналов от аппаратуры потребителя спутниковой навигационной системы и датчиков крена и тангажа, отличающийся тем, что в него дополнительно введены трехстепенный магнитный датчик направления, установленный в связанной системе координат летательного аппарата, датчики углов атаки и скольжения, при этом бортовой вычислитель выполнен с возможностью совместной обработки сигналов от всех датчиков.

2. Навигационный комплекс летательного аппарата по п. 1, отличающийся тем, что в него дополнительно введены датчики линейных ускорений и угловых скоростей, установленные в связанной системе координат летательного аппарата, при этом бортовой вычислитель выполнен с возможностью совместной обработки сигналов от всех датчиков.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3