Измеритель курса подвижного объекта

 

Изобретение относится к измерительным комплексам подвижных объектов и предназначено для использования при измерениях истинного курса летательного аппарата, корабля или наземного транспортного средства. Устройство содержит два блока измерений относительных параметров, два блока расчета точечных координат, блок расчета курсового угла, подключенный к внешней информационной системе, и блок расчета взаимных координат. Путем сопоставления координат блоков измерения относительных параметров определяются взаимные координаты двух точек в географической системе координат восток - север. На основе этой информации осуществляется вычисление угла между направлением на север и линией, соединяющей приемники, который затем с использованием внешней информации об углах ориентации подвижного объекта относительно плоскости горизонта пересчитывается в истинный курс. Изобретение позволяет расширить область практического использования измерителя курса и, тем самым, повысить эффективность применения подвижных объектов, снабженных данным измерителем. 1 ил.

Изобретение относится к измерительным комплексам и системам подвижных объектов (ПО): летательных аппаратов (ЛА), кораблей, наземных транспортных средств.

В наиболее близком аналоге, приведенном в книге [1] на стр. 54-56, представлен измеритель курса подвижного объекта (ИКПО). ИКПО включает в себя два приемника сигналов спутниковой радионавигационной системы (СРНС), установленных в двух точках А и В объекта на некотором расстоянии друг от друга. Каждый приемник измеряет дальности до трех навигационных спутников с известными координатами. Разность дальностей до одного и того же спутника, измеренная двумя разнесенными в пространстве приемниками, пропорциональна косинусу угла между двумя направленными отрезками (векторами), один из которых соединяет точки, в которых расположены приемники, а другой соединяет точку, в которой находится навигационный спутник, и середину первого отрезка (см. [1], стр. 55). Формируя разности дальностей до трех спутников, строится система трех уравнений с тремя неизвестными (см. [1], стр. 56) величинами ψ _x, ψ _y, ψ _z направляющих косинусов вектора АB относительно системы координат OXYZ, связанной с Землей:

2π [(D_A1-D_B1)/λ =μ _x1· cosψ _x+μ _y1· cosψ _y+μ _z1· cosψ _z;

2π [(D_A2-D_B2)/λ =μ _x2· cosψ _x+μ _y2· cosψ _y+μ _z2· cosψ _z; (1)

2π [(D_A3-D_B3)/λ =μ _x3· cosψ _x+μ _y3· cosψ _y+μ _z3· cosψ _z;

где λ - длина волны излучаемого навигационным спутником сигнала;

D_A1, D_А2, D_А3 - дальности до первого, второго, третьего спутников, измеренные приемником, установленным в точке A;

D_B1, D_В2 , D_B3 - дальности до первого, второго, третьего спутников, измеренные приемником, установленным в точке В;

μ _x1, μ _y1, μ _z1 - направляющие косинусы вектора, соединяющего середину отрезка АВ и первый спутник, относительно системы координат OXYZ;

μ _x2, μ _y2, μ _z2 - направляющие косинусы вектора, соединяющего середину отрезка АВ и второй спутник, относительно системы координат OXYZ;

μ _x3, μ _y3, μ _z3 - направляющие косинусы вектора, соединяющего середину отрезка АВ и третий спутник, относительно системы координат OXYZ;

ψ _x, ψ _y, ψ _z - направляющие косинусы вектора, соединяющего точки А и В, относительно системы координат OXYZ.

Решением этой системы уравнений известным способом решения систем линейных уравнений (см. например, [3], стр. 246-250) определяются неизвестные величины ψ _x, ψ _у, ψ _z, характеризующие ориентацию отрезка АВ, принадлежащего подвижному объекту, относительно связанной с Землей системы координат OXYZ.

Наиболее близкий аналог имеет ряд существенных недостатков.

Во-первых, описанный выше и в книге [1] на стр. 54-56 наиболее близкий аналог определяет ориентацию только одного отрезка, принадлежащего ПО, между тем как для решения задачи определения угла курса этого недостаточно, необходимо определять ориентацию двух неколлинеарных отрезков. Это, в свою очередь, требует введения в состав измерительной системы, как минимум, еще одного приемника сигналов СРНС и соответствующих блоков для обработки его информации.

Во-вторых, используемый в наиболее близком аналоге способ определения направляющих косинусов отрезка путем решения системы линейных уравнений не всегда работоспособен. Возможно возникновение ситуации во взаиморасположении ПО и навигационных спутников, когда все четыре точки (три спутника и середина отрезка АВ) лежат в одной плоскости. В этом случае величины μ _x1, μ _y1, μ _z1, μ _х2, μ _y2, μ _z2, μ _х3, μ _y3, μ _z3 линейно зависимы и система (1) не имеет однозначного решения.

Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей измерителя курса ПО и, как следствие этого, повышение эффективности использования объектов, снабженных такой системой.

Достигается указанный результат тем, что измеритель курса, содержащий два блока измерений относительных параметров и блок расчета курсового угла, дополнительно снабжен двумя блоками расчета точечных координат, причем вход одного из них подключен к выходу одного блока измерений относительных параметров, вход другого подключен к выходу другого блока измерений относительных параметров, блоком расчета взаимных координат, первый вход которого подключен к выходу одного блока расчета точечных координат, а второй вход блока расчета взаимных координат подключен к выходу другого блока расчета точечных координат, выход блока расчета взаимных координат подключен к входу блока расчета курсового угла.

На чертеже представлена блок-схема измерителя курса ПО, содержащего:

1, 2 - измеритель относительных параметров ИОП;

3, 4 - блок расчета точечных координат РТК;

5 - блок расчета взаимных координат РВК;

6 - блок расчета курсового угла РКУ.

На чертеже показана также 7 - внешняя информационная система ВИС, которая не входит в состав измерителя курса.

Информационная взаимосвязь блоков ИКПО осуществляется по линиям информационного обмена (на чертеже обозначена тонкой сплошной линией).

Выход блока ИОП 1 подключен к входу блока РТК 3, выход блока ИОП 2 подключен к входу блока РТК 4. Выход блока РТК 3 подключен к первому входу блока РВК 5, а выход блока РТК 4 подключен ко второму входу блока РВК 5. Выход блока РВК 5 подключен к простому входу блока РКУ 6. Вход/выход блока РКУ 6, являющийся входом/выходом измерителя курса, подключен к входу/выходу ВИС 7.

Блоки ИОП 1, ИОП 2 представляют собой приемники сигналов СРНС, описанные в литературе, например [1], стр. 185-278. В состав блоков ИОП 1 и ИОП 2 входят антенны, приемники, корреляторы. В блоках ИОП 1 и ИОП 2 осуществляется прием сигналов навигационных спутников СРНС, определение фазовой и временной задержки сигнала ([1], стр. 193-197), которые пропорциональны расстояниям (дальностям) от приемников до соответствующих спутников.

Информационные линии связи представляют собой известные (описанные, например, в книге [2], стр. 21-24, 394-406) линии связи и информационного обмена, например, по последовательному коду, по параллельному коду, мультиплексные и др.

Блоки РТК 3, РТК 4, РВК 5, РКУ 6 выполнены, например, в виде однопроцессорных вычислителей ([2], стр. 31).

ИКПО работает следующим образом. ИКПО состоит из двух аналогичных контуров определения точечных координат мест установки приемников. Один контур включает в себя блоки: ИОП 1 и РТК 3. Другой контур включает в себя блоки: ИОП 2 и РТК 4. Работа этих двух контуров полностью аналогична и заключается в следующем.

Блок ИОП 1 (ИОП 2) измеряет фазовый сдвиг и/или временную задержку сигналов на трассах “приемник-спутник”, которые пропорциональны соответствующим расстояниям (дальностям). Эти данные поступают на вход блока РТК 3 (РТК 4), в котором на основе полученной информации об этих дальностях с помощью известных алгоритмов (см. например, [1], стр. 217) осуществляется решение задачи определения координат приемника.

Результатом работы блоков РТК 3 и РТК 4 являются значения координат (X₁ , Y₁, Z₁) и (Х₂, Y₂ , Z₂) мест установки приемников на ПО.

Эта информация поступает в блок РВК 5, в котором осуществляется определение взаимных координат Δ Х, Δ Y, Δ Z двух приемников с помощью формул вида:

Δ Х=Х₂-Х₁;

Δ Y=Y₂-Y₁; (2)

Δ Z=Z₂-Z₁.

Значения взаимных координат Δ Х, Δ Y, Δ Z пересчитываются из системы координат OXYZ в географическую систему координат OENH (где ОН - местная вертикаль, ОЕ - направление на восток, ON - направление на север), с помощью формул вида:

Δ Е=Δ Y· sinλ ₁-Δ Z· cosλ ₁; (3)

Δ N=Δ X· cosϕ ₁-Δ Y· cosλ ₁· sinϕ ₁-Δ Z· sinλ ₁· sinϕ ₁;

Δ Н=Δ X· sinϕ ₁-Δ Y· cosλ ₁· cosϕ ₁-Δ Z· sinλ ₁· cosϕ ₁.

Здесь: λ ₁, ϕ ₁ - географические долгота и широта первого приемника, которые определяются в блоке РТК 3 по известным ([1], стр. 218) алгоритмам.

Значения взаимных географических координат Δ Е, Δ N поступают в блок РКУ 6, в котором осуществляется расчет азимутального угла Ψ между отрезком, соединяющим первый и второй приемники сигналов СРНС, и направлением на север с помощью формулы вида:

Ψ =arctg(Δ E/Δ N). (4)

Для определения истинного курса Ψ ^ист ПО осуществляется коррекция полученной величины азимутального угла Ψ на угол Δ ψ между диаметральной плоскостью ПО (для корабля) или плоскостью симметрии ПО (для летательного аппарата), который рассчитывается в блоке РКУ 6 с помощью формул вида:

Δ ψ =arctg(Δ z_г/Δ x_г), (5)

где

Δ х_г=(х₂-x₁)· cosϑ -(y₂-y₁)· sinϑ · cosγ +(z₂-z₁)· sinϑ · sinγ ;

Δ z_г= (y₂-y₁)· sinγ +(z₂-z₁)· cosγ ;

γ - угол крена, поступающий в блок РКУ 6 из ВИС 7;

ϑ - угол тангажа (или дифферента), поступающий в блок РКУ 6 из ВИС 7;

x₁, y₁, z₁ - известные координаты места установки блока ИОП 1 относительно центра масс ПО;

x₂, y₂, z₂ - известные координаты места установки блока ИОП 2 относительно центра масс ПО.

Окончательно курс ПО рассчитывается в блоке РКУ 6 так:

Ψ ^ист=Ψ -Δ ψ . (6)

Введение в состав ИКПО блоков РТК 3, РТК 4, РВК 5 обеспечивает простое и эффективное определение взаимных географических координат двух точек ПО, в которых установлены приемники сигналов СРНС, и затем - курсового угла. При этом устраняются отмеченные выше недостатки наиболее близкого аналога: во-первых, не требуется дополнительных блоков-приемников сигналов СРНС, во-вторых, не требуется решать систему линейных уравнений, которая может быть неразрешимой. При этом повышается эффективность ИКПО.

На примерах технической реализации показано достижение технического результата в части расширения функциональных возможностей измерителя курса ПО, а именно: определение курса с помощью двух приемников сигналов СРНС, вследствие чего повышается эффективность применения объектов, оснащаемых измерителем.

Источники информации

1. Глобальная спутниковая навигационная система ГЛОНАСС. Под ред. В.Н.Харисова, А.И.Перова, В.А.Болдина. - М.: ИПРЖР, 1998 г.

2. Преснухин Л.Н., Нестеров П.В. Цифровые вычислительные машины. - М.: Высшая школа, 1981 г.

3. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. - М.: Наука, 1980 г.

Формула изобретения

Измеритель курса подвижного объекта, содержащий два блока измерений относительных параметров и блок расчета курсового угла, причем вход/выход блока расчета курсового угла является входом/выходом измерителя курса подвижного объекта и подключен к внешней информационной системе, отличающийся тем, что измеритель курса подвижного объекта дополнительно снабжен двумя блоками расчета точечных координат, причем вход одного из них подключен к выходу одного блока измерений относительных параметров, вход другого подключен к выходу другого блока измерений относительных параметров, а также блоком расчета взаимных координат, первый вход которого подключен к выходу одного блока расчета точечных координат, второй вход - к выходу другого блока расчета точечных координат, а выход - к соответствующему входу блока расчета курсового угла.

РИСУНКИ