Способ определения угловой ориентации объекта
Владельцы патента RU 2364884:
Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство Обороны Российской Федерации (RU)
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования ТУЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ (ТулГУ) (RU)
Предлагаемое изобретение относится к области космической радионавигации и может быть использовано для определения углового положения объектов в пространстве. Достигаемым техническим результатом изобретения является создание способа определения ориентации объекта, при котором антенны можно располагать на расстоянии, большем длины волны, а время определения ориентации объекта составляло бы доли секунды. Указанный результат достигается тем, что сигналы принимают на разнесенные приемники сигнала, расположенные на объекте так, чтобы они не лежали на одной прямой, приемниками сигналов являются GPS-приемники, количеством не менее трех, по их показаниям определяют координаты каждого приемника сигналов, на основании которых определяют положение векторов, задающих связанную с объектом систему координат, причем используют только те значения координат, которые удовлетворяют условию, в соответствии с которым расстояние между GPS-приемниками, вычисленное по координатам приемников, не должно отличатся от истинного расстояния между приемниками более чем на величину Δl=l*tg(Δφ), где l - расстояние между двумя GPS-приемниками, Δφ - заданное значение погрешности определения углов.
Предлагаемое изобретение относится к области космической радионавигации и может быть использовано для определения углового положения объектов в пространстве.
В настоящее время остро стоит задача расширения функциональных возможностей глобальных навигационных спутниковых систем, в частности при определении углового положения объектов. При этом возникают проблемы повышения точности и уменьшения времени измерения углового положения. На решение этой проблемы направлен предложенный способ.
Известен способ определения ориентации объектов по сигналам космических аппаратов глобальных навигационных спутниковых систем, основанный на приеме сигналов космических аппаратов каждым из четырех антенно-приемных устройств, расположенных на осях объектов, выделении сигнала с частотой Доплера, определении набега фаз колебаний с частотой Доплера путем интегрирования их на мерном интервале и определении углового положения объектов (Патент РФ N 2022294, МПК6 С01S 5/00).
Недостатком способа является длительное время, необходимое для проведения измерения углового положения. Это связано с тем, что для решения задачи ориентации необходимо, чтобы космические аппараты, излучающие сигналы, за время измерения существенно переместились в пространстве. Для космических аппаратов глобальных навигационных спутниковых систем, а в настоящее время существуют две системы: российская система ГЛОНАСС и американская - CPS, период обращения вокруг Земли которых составляет около 12 ч, необходимое время измерения соответствует десяткам минут - часам. Это существенно ограничивает возможность применения этого способа.
Известен способ определения ориентации объектов по сигналам космических аппаратов глобальных навигационных спутниковых систем, взятый в качестве прототипа, основанный на приеме сигналов от космических аппаратов глобальных навигационных спутниковых систем на разнесенные приемники сигнала, расположенные на объекте так, чтобы они не лежали на одной прямой, причем, приемниками сигнала являются GPS-приемники, количеством не менее трех, по их показаниям определяют координаты каждого приемника сигнала, на основании которых вычисляют положение векторов, задающих связанную с объектом систему координат (Прохорцов А.В., Блинов, Богданов М.Б., Савельев В.В., Сухинин Б.В. Способ определения угловой ориентации объекта. Пат.2248004 РФ, МКИ7 G01S 5/00 // Опубл. 10.03.2005, Бюл. №7. Приоритет 30.04.03).
Недостатком способа является возможность недостоверного определения углов, связанная с тем, что в отдельные моменты времени возможно неправильное определение координат GPS-приемников, из-за различных факторов (например, из-за геометрического фактора, многолучевости, внутренних шумов приемной аппаратуры и т.д.). В связи с этим точность предлагаемого в прототипе способа невысока.
Задачей изобретения является повышение точности измерения путем создания способа определения ориентации объекта, при котором точность определения углов не будет превышать заданного значения, а время определения ориентации объекта составляло бы доли секунды.
Поставленная задача достигается тем, что сигналы принимают на разнесенные приемники сигналов, расположенные на объекте так, чтобы они не лежали на одной прямой, приемниками сигналов являются GPS-приемники, количеством не менее трех, по их показаниям определяют координаты каждого приемника сигналов, на основании которых определяют положение векторов, задающих связанную с объектом систему координат, причем используют только те значения координат, которые удовлетворяют условию, в соответствии с которым расстояние между GPS-приемниками, вычисленное по координатам приемников (по формулам аналитической геометрии), не должно отличатся от истинного расстояния между приемниками, определенного при установке приемников на объекте, более чем на величину Δl=l*tg(Δφ), где l - расстояние между двумя GPS-приемниками, Δφ - заданное значение погрешности определения углов.
Способ определения угловой ориентации объекта осуществляется следующим образом.
На объекте устанавливают GPS-приемники (А, В, С), которые определяют свои координаты (x, y, z) в базовой системе координат. В качестве базовой могут быть выбраны различные системы координат, например геоцентрическая подвижная система координат (ПЗ-90, WGS-84 и т.д.), нормальная земная и т.д.
Рассмотрим частный случай расположения приемников сигнала. Пусть GPS-приемники на объекте расположены так, чтобы они находились в вершинах прямоугольного треугольника, и катеты треугольника были параллельны осям связанной с объектом системы координат. Информация о координатах каждого GPS-приемника поступает в вычислитель, который определяет положение связанной системы координат следующим образом.
Проверяются следующие условия: отличается ли расстояние между GPS-приемниками, вычисленное по координатам приемников (по формулам аналитической геометрии), от истинного расстояния между приемниками, определенного при установке приемников на объекте. Для этого:
1. Определяется расстояние между GPS-приемниками В и А (см. Выгодский М.Я. Справочник по высшей математике. М.: Государственное издательство физико-математической литературы. - 1959 г., стр 134):
,
где хA, yA, zA; xB, yB,zB; xC, yC, zC - координаты GPS-приемников А, В, С соответственно относительно выбранной базовой системы координат.
2. Определяется расстояние между GPS-приемниками В и С:
.
3. Проверяется выполнение следующих условий:
где ВАист - расстояние между GPS-приемниками В и А, известные по схеме установки приемников на объекте (могут быть измерены при установке GPS-приемников на объекте, например, с помощью штангенциркуля, линейки, метра и т.д.),
ВСист - расстояние между GPS-приемниками В и С, известные по схеме установки приемников на объекте,
Δφ - заданное значение погрешности определения углов.
Если условия (*) и (**) не выполняются, то в вычислитель снова поступает информация о координатах каждого GPS-приемника. И снова в вычислителе выполняются пункты 1-3. Когда условия (*) и (**) выполняются, то определяют положение связанной системы координат следующим образом (аналогично, как и в прототипе).
Так одну ось связанной системы задает вектор 
:
.
Вторую ось связанной системы координат задает вектор
:
.
Третью ось связанной системы координат задает вектор 
, равный векторному произведению векторов 
и 
, 
:
,
,
,
Таким образом, есть три компланарных вектора 
и 
, которые совпадают с осями связанной с объектом системы координат и определяют ориентацию объекта относительно выбранной базовой системы координат.
Способ определения угловой ориентации объекта, основанный на приеме сигналов от космических аппаратов глобальных навигационных спутниковых систем на разнесенные приемники сигнала, расположенные на объекте так, чтобы они не лежали на одной прямой, приемниками сигналов являются GPS-приемники, количеством не менее трех, по их показаниям определяют координаты каждого приемника сигналов, на основании которых определяют положение векторов, задающих связанную с объектом систему координат, отличающийся тем, что используют только те значения координат, которые удовлетворяют условию, в соответствии с которым расстояние между GPS-приемниками, вычисленное по координатам приемников, не должно отличатся от истинного расстояния между приемниками более чем на величину Δl=l·tg(Δφ), где l - расстояние между двумя GPS-приемниками; Δφ - заданное значение погрешности определения углов.
