Измеритель ориентации подвижного объекта
Владельцы патента RU 2381964:
Открытое акционерное общество "Раменское приборостроительное конструкторское бюро" (RU)
Изобретение относится к навигационным приборам и предназначено для использования при измерении углов ориентации любых подвижных летательных аппаратов, кораблей, наземных транспортных средств. В состав измерителя входят три блока измерений относительных параметров, блок расчета углов ориентации, три блока расчета точечных координат, блок расчета взаимных координат. Блоки измерения относительных параметров, например приемники сигналов спутниковых радионавигационных систем, и блоки расчета точечных координат, соединенные попарно, осуществляют точное определение координат блоков измерения относительных параметров. Путем сопоставления этих координат в блоке расчета взаимных координат определяются взаимные координаты этих трех точек в географической системе координат «восток-север». На основе этой информации и априорной информации о взаиморасположении указанных трех точек относительно подвижного объекта в блоке расчета углов ориентации осуществляется вычисление углов ориентации применительно к летательным аппаратам - углов курса, тангажа и крена. Таким образом, предложенный измеритель характеризуется расширенными функциональными возможностями, что обеспечивает повышение эффективности использования подвижных объектов, оснащенных таким 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 ориентации подвижного объекта (ИОПО). ИОПО 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 ψx, ψy, ψz направляющих косинусов вектора АВ относительно системы координат OXYZ, связанной с Землей:
где:
λ - длина волны излучаемого навигационным спутником сигнала;
DA1, DA2, DA3 - дальности до первого, второго, третьего спутников, измеренные приемником, установленным в точке А;
DB1, DB2, DB3 - дальности до первого, второго, третьего спутников, измеренные приемником, установленным в точке В:
µx1, µy1, µz1 - направляющие косинусы вектора, соединяющего середину отрезка АВ и первый спутник, относительно системы координат OXYZ;
µх2, µу2, µz2 - направляющие косинусы вектора, соединяющего середину отрезка АВ и второй спутник, относительно системы координат OXYZ;
µx3, µу3, µZ3 - направляющие косинусы вектора, соединяющего середину отрезка АВ и третий спутник, относительно системы координат OXYZ;
ψx, ψу, ψz - 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 ψх, ψy, ψz, 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 ориентации этого недостаточно.
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 µх1, µy1, µz1, µx2, µy2,
µz2, µх3, µy3, µz3 линейно зависимы и система (1) не имеет однозначного решения.
В-третьих, описанный выше и в книге [1] на стр.54-56 наиболее близкий аналог осуществляет определение только угла курса, между тем ориентация ПО определяется тремя углами, например курсом, тангажом, креном.
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 ориентации, содержащий три блока измерений относительных параметров и блок расчета углов ориентации, дополнительно снабжен тремя 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, вход третьего подключен к выходу третьего блока измерений относительных параметров, блоком расчета взаимных координат, первый, второй и третий входы которого подключены к выходам первого, второго и третьего блоков расчета точечных координат, выход блока расчета взаимных координат подключен к входу блока расчета углов ориентации.
На чертеже представлена блок-схема измерителя ориентации ПО, содержащего:
1, 2, 3 - измеритель относительных параметров ИОП;
4, 5, 6 - блок расчета точечных координат РТК;
7 - блок расчета взаимных координат РВК;
8 - блок расчета углов ориентации РУО.
Информационная взаимосвязь блоков ИОПО осуществляется по линиям информационного обмена (на чертеже обозначена тонкой сплошной линией).
Выход блока ИОП 1 подключен к входу блока РТК 4, выход блока ИОП 2 подключен к входу блока РТК 5, выход блока ИОП 3 подключен к входу блока РТК 6. Выход блока РТК 4 подключен к первому входу блока РВК 7, выход блока РТК 5 подключен ко второму входу блока РВК 7, выход блока РТК 6 подключен к третьему входу блока РВК 7. Выход блока РВК 7 подключен к входу блока РУО 8. Выход блока РУО 8 является выходом измерителя ориентации.
Блоки ИОП 1, ИОП 2, ИОП 3 представляют собой приемники сигналов СРНС, описанные в литературе, например [1], стр.185-278. В состав блоков ИОП 1, ИОП 2, ИОП 3 входят антенны, приемники, корреляторы. В блоках ИОП 1, ИОП 2 и ИОП 3 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 4, РТК 5, РТК 6, РВК 7, РУО 8 выполнены, например, в виде однопроцессорных вычислителей ([2], стр.31).
ИОПО работает следующим образом. ИОПО состоит из трех аналогичных контуров определения точечных координат мест установки приемников. Один контур включает в себя блоки ИОП 1 и РТК 4. Другой контур включает в себя блоки ИОП 2 и РТК 5. Третий контур включает в себя блоки ИОП 3 и РТК 6. Работа этих трех контуров полностью аналогична и заключается в следующем.
Блок ИОП 1 (ИОП 2, ИОП 3) измеряет фазовый сдвиг и/или временную задержку сигналов на трассах «приемник-спутник», которые пропорциональны соответствующим расстояниям (дальностям). Эти данные поступают на вход блока РТК 4 (РТК 5, РТК 6), 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 4, РТК 5 и РТК 6 являются значения координат (Х1, Y1, Z1), (Х2, Y2, Z2) и (Х3, Y3, Z3) мест установки приемников на ПО.
Эта информация поступает в блок РВК 7, в котором осуществляется определение взаимных координат (ΔХ12, ΔY12, ΔZ12), (ΔX13, ΔY13, ΔZ13), (ΔX23, ΔY23, ΔZ23) трех приемников с помощью формул вида:
Значения взаимных координат (ΔХ12, ΔY12, ΔZ12), (ΔХ13, ΔY13, ΔZ13), (ΔХ23, ΔY23, ΔZ23) 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:
Здесь: λ1, φ1 - географические долгота и широта первого приемника. λ2, φ2 - географические долгота и широта второго приемника, которые определятся соответственно в блоках РТК 4 и РТК 5 по известным ([1], стр.218) алгоритмам.
Значения взаимных географических координат взаимных координат (ΔЕ12, ΔN12. ΔН12), (ΔЕ13, ΔN13, ΔН13), (ΔЕ23, ΔN23, ΔН23) поступают в блок РУО 8, в котором осуществляется расчет углов курса ψ, тангажа ϑ, крена γ ПО путем решения системы уравнений, связывающих эти углы с взаимными координатами трех точек:
Δх12=ΔN12·(cosψ·cosϑ)+ΔН12·(sinϑ)+ΔE12·(sinψ·cosϑ);
Δy12=ΔN12·(-cosψ·sinϑ·cosγ-sinψ·sinγ)+ΔH12·(cosϑ·cosγ)+ΔE12·(-sinψ·sinϑ·cosγ+cosψ·sinγ);
Δz12=ΔN12·(cosψ·sinϑ·sinγ-sinψ·cosγ)+ΔH12·(-cosϑ·sinγ)+ΔE12·(sinψ·sinϑ·sinγ+cosψ-cosγ);
Δy13=ΔN13·(-cosψ·sinϑ·cosγ-sinψ·sinγ)+ΔH13·(cosϑ·cosγ)+ΔE13·(-sinψ·sinϑ·cosγ+cosψ·sinγ);
Δz13=ΔN13·(cosψ·sinϑ·sinγ-sinψ·cosγ)+ΔH13·(-cosϑ·sinγ)+ΔE13·(sinψ·sinϑ·sinγ+cosψ-cosγ);
Δх23=ΔN23·(cosψ·cosϑ)+ΔН23·(sinϑ)+ΔE23·(sinψ·cosϑ);
Δy23=ΔN23·(-cosψ·sinϑ·cosγ-sinψ·sinγ)+ΔH23·(cosϑ·cosγ)+ΔE23·(-sinψ·sinϑ·cosγ+cosψ·sinγ);
Δz23=ΔN23·(cosψ·sinϑ·sinγ-sinψ·cosγ)+ΔH23·(-cosϑ·sinγ)+ΔE23·(sinψ·sinϑ·sinγ+cosψ-cosγ).
Здесь:
x1, y1, z1 - известные координаты места установки блока ИОП 1 относительно центра масс ПО;
х2, у2, z2 - известные координаты места установки блока ИОП 2 относительно центра масс ПО;
х3, у3, z3 - известные координаты места установки блока ИОП 3 относительно центра масс ПО.
Решение в этой системы уравнений в блоке РУО 8 осуществляется методом исключения неизвестных и может иметь, например, следующий результат:
где A1=Δx12·ΔH13-Δx13·ΔH12;
A2=Δx12·ΔH23-Δх23·ΔH12;
А11=ΔN12·ΔH13-ΔN13·ΔH12;
A12=ΔE12·ΔH13-ΔE13·ΔH12;
A21=ΔN12·ΔН23-ΔN23·ΔH12;
A22=ΔE12·ΔН23-ΔE23·ΔH12;
С=(A22A1-A12A2)/(A22A11-A12A21);
D=(A11A1-A21A2)/(A22A11-A12A21);
s1=Δx12-ΔN12·C-ΔE12·D;
s2=Δx13-ΔN13·C-ΔE13·D;
s3=Δx23-ΔN23·C-ΔE23·D;
B1=Δx12·ΔН13-Δх13·ΔH12:
В2=Δx12·ΔН23-Δх23·ΔН12;
В11=Δx12·Δу13-ΔХ13·Δy12;
В12=Δz12·Δx13-Δz13·Δx12;
B21=Δx12·Δу23-Δх23·Δу12;
В22=Δz12·Δх23-Δz23·Δx12.
Введение в состав ИОПО блоков РТК 4, РТК 5, РВК 6 обеспечивает простое и эффективное определение взаимных географических координат трех точек ПО, в которых установлены приемники сигналов СРНС, и затем - углов ориентации объекта: курса ψ, тангажа ϑ, крена γ. При этом устраняются отмеченные выше недостатки наиболее близкого аналога и повышается эффективность комплекса бортового оборудования, оснащенного ИОПО.
На примерах технической реализации показано достижение технического результата в части расширения функциональных возможностей измерителя комплекса бортового оборудования, а именно: определение ориентации ПО с помощью ИОПО на основе трех приемников сигналов СРНС, вследствие чего повышается эффективность применения объектов, оснащаемых таким измерителем.
Литература
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.
Измеритель ориентации подвижного объекта, содержащий три установленных на подвижном объекте блока измерений относительных параметров, оборудованных приемниками сигналов спутниковой радионавигационной системы и обеспечивающих определение расстояний от приемников до соответствующих спутников, и блок расчета углов ориентации подвижного объекта по курсу, тангажу и крену, причем выход блока расчета углов ориентации подвижного объекта является выходом измерителя ориентации подвижного объекта, отличающийся тем, что измеритель ориентации подвижного объекта дополнительно снабжен тремя блоками расчета точечных координат приемников, причем вход одного из них подключен к выходу одного блока измерений относительных параметров, вход другого подключен к выходу другого блока измерений относительных параметров, вход третьего подключен к выходу третьего блока измерений относительных параметров, блоком расчета взаимных координат приемников, первый, второй и третий входы которого подключены к выходам первого, второго и третьего блоков расчета точечных координат приемников, выход блока расчета взаимных координат приемников подключен к входу блока расчета углов ориентации подвижного объекта.
