Способ определения угловой ориентации объекта

Изобретение относится к области навигации. Достигаемый технический результат - определение угловой ориентации подвижного объекта в условиях ограниченной видимости навигационных спутников, повышение точности и расширение эксплуатационных возможностей интегрированной системы ориентации и навигации, реализующей этот способ в условиях доступности сигнала одного навигационного спутника. Заявленный способ включает получение информации о координатах подвижного объекта от бортовой инерциальной навигационной системы, прием сигналов от спутниковой радионавигационной системы при помощи трех закрепленных на подвижном объекте и не лежащих на одной прямой антенн навигационных приемников А0, A1, A2, последующую обработку информации и получение значений параметров угловой ориентации, при этом обработку информации проводят путем коррекции ошибки в параметрах угловой ориентации, полученных от инерциальной навигационной системы, с использованием сигналов одного доступного навигационного спутника, по разности фаз сигналов, поступающих от спутника на разнесенные антенны А0 и A1, определяют угол β1 между базой антенн d1 и направлением на спутник, по информации от бортовой инерциальной навигационной системы о координатах и параметрах ориентации объекта и по информации от спутниковой навигационной системы о координатах спутника определяют угол β1* между базой антенн d1 и направлением на спутник, по разности фаз сигналов, поступающих от спутника на разнесенные антенны А0 и А2, определяют угол β2 между базой антенн d2 и направлением на спутник, по информации от бортовой инерциальной навигационной системы о координатах и параметрах ориентации объекта и по информации от спутниковой навигационной системы о координатах спутника определяют угол β2* между базой антенн d2 и направлением на спутник, в случае, если величины β1 и β1*, β2 и β2* отличаются между собой на величину больше заданной, осуществляют коррекцию ошибки в параметрах угловой ориентации, полученных от бортовой инерциальной навигационной системы. 1 ил.

 

Изобретение относится к области навигации, в частности к способам инерциально-спутниковой навигации, предназначенным для определения углового положения объекта в инерциальном пространстве, и может быть использовано, например, при проектировании интегрированных систем ориентации и навигации.

Угловая ориентация объекта определяется параметрами ориентации, к которым могут быть причислены углы Эйлера-Крылова, параметры Родриго-Гамильтона, а также направляющие косинусы [Ишлинский А.Ю. Гироскопы, ориентация и инерциальная навигация. - М.: «Наука», 1976. - 672 с].

Известен способ определения параметров ориентации объекта при помощи бесплатформенной системы ориентации, построенной на трех датчиках угловой скорости [Анучин О.Н. Интегрированные системы ориентации и навигации для морских подвижных объектов/ О.Н.Анучин, Г.И.Емельянцев. - Санкт-Петербург: ГНЦ РФ ЦНИИ «Электроприбор», 2003. - 390 с.]. Способ состоит в обработке сигналов этих датчиков и получении в результате параметров ориентации. К достоинствам данных систем можно отнести автономность и возможность выдачи информации с высокой частотой.

К основным недостаткам данных систем причисляют наличие нарастающей со временем погрешности и зависимость точности от начальной выставки. Причем при определении параметров ориентации по сигналам глобальных спутниковых радионавигационных систем данный недостаток отсутствует.

Известен способ определения параметров ориентации объекта по сигналам глобальных спутниковых радионавигационных систем [Описание изобретения к патенту РФ №2022294 от 27.04.1992, МПК5 G01S 5/00, опубл. 30.10.1994], основанный на приеме сигналов навигационных спутников каждым из четырех антенно-приемных устройств, расположенных на объекте, выделении сигнала с частотой Доплера, определении набега фаз колебаний с частотой Доплера путем интегрирования их на мерном интервале и определении углового положения объектов.

Недостатком способа является длительное время, необходимое для определения параметров ориентации, так как для решения задачи ориентации необходимо, чтобы навигационные спутники за время измерения существенно переместились в пространстве. Необходимое время измерения соответствует десяткам минут - часам. Это существенно ограничивает возможность применения этого способа.

Известен способ определения параметров ориентации объекта по сигналам глобальных спутниковых радионавигационных систем [Описание изобретения к патенту РФ №2248004 от 30.04.2003, МПК7 G01S 5/00, опубл. 10.03.2005, Бюл. №7], основанный на определении координат четырех закрепленных на объекте не лежащих на одной прямой навигационных приемников.

Недостатками способа являются необходимость доступности навигационных сигналов не менее чем четырех навигационных спутников и возможные большие погрешности определения параметров ориентации в связи с тем, что в отдельные моменты времени координаты навигационных приемников могут определятся с низкой точностью по различным причинам (например, геометрический фактор, многолучевость, помехи распространению навигационного сигнала и т.п.).

Наиболее близким заявляемому способу по совокупности существенных признаков является способ определения угловой ориентации объекта при помощи интегрированной системы ориентации и навигации [Описание изобретения к патенту РФ №2276384 от 27.04.2004, МПК7 G01S 5/00, опубл. 10.05.2006, Бюл. №13]. Сущность способа заключается в определении параметров ориентации объекта по сигналам от инерциальной навигационной системы (например, бесплатформенной) и по сигналам двух навигационных спутников, принимаемым не менее чем тремя антеннами навигационных приемников, не расположенными на одной прямой. Приемники служат для определения углового положения объекта относительно направления на каждый из двух навигационных спутников. К достоинствам данного способа можно причислить отсутствие зависимости погрешности в определении параметров ориентации от точности начальной выставки и отсутствие нарастающей со временем погрешности в определении параметров ориентации.

Недостатком способа является необходимость доступности как минимум двух навигационных спутников для возможности определения параметров ориентации, что снижает точность интегрированной системы ориентации и навигации в данном случае и ограничивает ее эксплуатационные возможности.

Задача, решаемая настоящим изобретением, и достигаемый технический результат заключаются в создании очередного способа определения угловой ориентации подвижного объекта при помощи интегрированной системы ориентации и навигации в условиях ограниченной видимости навигационных спутников, повышении точности и расширении эксплуатационных возможностей навигационной системы, реализующей этот способ.

Изобретение иллюстрируется чертежом, где условно изображена решаемая задача определения параметров ориентации.

Для получения заявленного технического результата в известном способе определения угловой ориентации, включающем получение информации о координатах подвижного объекта от бортовой инерциальной навигационной системы, прием сигналов от спутниковой радионавигационной системы при помощи трех закрепленных на подвижном объекте и не лежащих на одной прямой антенн навигационных приемников А0, A1, A2, последующую обработку информации и получение значений параметров угловой ориентации, коррекцию ошибки в параметрах угловой ориентации, полученных от инерциальной навигационной системы, проводят с использованием сигналов одного доступного навигационного спутника, при этом по разности фаз сигналов, поступающих от спутника на разнесенные антенны А0 и A1 определяют угол β1 между базой антенн d1 и направлением на спутник, по информации от бортовой инерциальной навигационной системы о координатах и параметрах ориентации объекта и по информации от спутниковой навигационной системы о координатах спутника определяют угол β1* между базой антенн d1 и направлением на спутник, по разности фаз сигналов, поступающих от спутника на разнесенные антенны А0 и A2, определяют угол β2 между базой антенн d2 и направлением на спутник, по информации от бортовой инерциальной навигационной системы о координатах и параметрах ориентации объекта и по информации от спутниковой навигационной системы о координатах спутника определяют угол β2* между базой антенн d2 и направлением на спутник, в случае, если модуль разностей величин β1 и β1*, β2 и β2* превышает заданное значение, осуществляют коррекцию показаний ошибки в показаниях бортовой инерциальной навигационной системы.

Проанализируем существенность признаков изобретения. В результате воздействия искусственных или естественных помех, частичной неработоспособности спутниковой радионавигационной системы или по причине других подобных факторов возможны случаи, когда доступным становится сигнал только одного навигационного спутника. В этом случае необходимо использовать данные о значениях параметров ориентации подвижного объекта от инерциальной навигационной системы. Известно, что параметры ориентации, полученные от инерциальной навигационной системы, могут содержать нарастающую со временем ошибку, которая при необходимости корректируется при помощи спутниковой радионавигационной системы.

Способ определения угловой ориентации объекта реализуется следующим образом.

1. На подвижном объекте размещают интегрированную систему ориентации и навигации, состоящую из инерциальной системы ориентации и навигации, приемника навигационных сигналов, обрабатывающего информацию от трех антенн А0, A1, A2, служащих для приема сигналов спутниковых радионавигационных систем (например, ГЛОНАСС).

В общем случае, антенны могут быть размещены произвольным образом, но так, чтобы они не лежали на одной прямой. Для удобства далее рассмотрим случай размещения антенн в одной плоскости таким образом, что антенны А0 и A1 находятся на продольной оси ОХ, а антенны А0 и А2 находятся на оси OZ, связанной с подвижным объектом системы координат OXYZ. Расстояния между антеннами А01 и А0-A2 известны и равны d1 и d2 соответственно.

2. При помощи инерциальной системы ориентации и навигации определяют координаты точки закрепления антенны A0 в базовой системе координат OXgYgZg и угловую ориентацию связанной с объектом системы координат OXYZ в базовой системе координат OXgYgZg в виде матрицы направляющих косинусов [Пельпор Д.С. Гироскопические системы. Учебник для вузов. /Д.С.Пельпор, И.А.Мигалев, В.А.Бауман и др.; Под ред. Д.С.Пельпора. - 2-е изд., перереб. и доп. - М.: Высш. шк., 1988. - 424 с.]:

В базисе OXgYgZg по показаниям инерциальной навигационной системы можно аналитически построить систему координат OXбYбZб, направление осей которой в результате ошибок начальной выставки или нарастающей со временем погрешности не совпадает с направлением осей системы координат OXYZ.

3. В навигационном сигнале, передаваемом спутником, содержится информация о координатах спутника в геоцентрической системе координат. По этой информации находят координаты спутника в базовой системе координат S .

4. Зная координаты точек A0, определенные в соответствии с п.2, и координаты точки S, определяем положение вектора в базовой системе координат:

5. Находим косинус угла между векторами и :

6. По сигналам, поступающим от спутника S на разнесенные антенны A0 и A1, определяем косинус угла β1 между базой антенн d1 и направлением на спутник, т.е. между векторами и , по формуле:

где β1 - угол между вектором и направлением на спутник S, определенный с помощью аппаратуры СРНС, λ - длина волны сигнала, излучаемого спутником S, Δφ1 - разница фаз сигналов, принимаемых антеннами A0 и A1 от спутника S, d1 - расстояние между антеннами A0 и A1.

7. В случае, если величины cosβ1 и cosβ1 отличаются между собой на величину, большую заранее заданной (обозначим ее Δ), то, следовательно, определенное с помощью БИНС положение оси отличается от истинного положения оси , на которой расположены антенны A0, A1, и поэтому производят вычисление скорректированных параметров угловой ориентации. Находят вектор причем угол между искомым вектором и направлением на спутник S должен составлять β1.

Составим уравнение плоскости, проходящей через вектора , :

где хр, ур, zp - переменные в уравнении плоскости.

Составим уравнение плоскости, проходящей через вектора , :

Предполагается, что векторы , , и лежат в одной плоскости и, следовательно, вектор может быть найден из решения системы уравнений:

8. В случае, если величины cosβ1 и cosβ1 отличаются между собой на величину, меньшую заранее заданной Δ, то за вектор принимают вектор (c11, c21, c31).

Далее действия повторяются аналогично в отношении антенн A0 и A2.

9. По сигналам, поступающим от спутника S на разнесенные антенны A0 и A2, определяют косинус угла β2 между базой антенн d2 и направлением на спутник, т.е. между векторами и , по формуле:

где β2 - угол между вектором и направлением на спутник S, определенный с помощью аппаратуры СРНС, λ - длина волны сигнала излучаемого спутником S, Δφ2 - разница фаз сигналов, принимаемых антеннами A0 и A2 от спутника S, d2 - расстояние между антеннами A0 и A2.

10. Находим косинус угла между векторами и :

11. В случае, если величины cosβ2 и cosβ2 отличаются между собой на величину, большую заранее заданной Δ, то, следовательно, определенное с помощью БИНС положение оси отличается от истинного положения оси OZ, на которой расположены антенны A0, A2, и поэтому производят вычисление скорректированных параметров угловой ориентации. Находят вектор причем угол между искомым вектором и направлением на спутник S должен составлять β2.

Составим уравнение плоскости, проходящей через вектора ,

где xp, yp, zp - переменные в уравнении плоскости.

Составим уравнение плоскости, проходящей через векторы ,

В этом случае вектор может быть найден из решения системы уравнений:

12. В случае, если величины cosβ2 и cosβ2 отличаются между собой на величину, меньшую заранее заданной Δ, то за вектор принимают вектор (c13, с23, с33).

13. Положение третьей оси связанной системы координат можно найти как векторное произведение векторов и :

Таким образом получают скорректированную матрицу направляющих косинусов, однозначно определяющую угловую ориентацию объекта относительно базовой системы координат OXgYgZg:

Проведенное математическое моделирование показало работоспособность предлагаемого способа.

В результате решения поставленной задачи был создан очередной способ определения угловой ориентации подвижного объекта в условиях ограниченной видимости навигационных спутников, повысилась точность и расширились эксплуатационные возможности интегрированной системы ориентации и навигации, реализующей этот способ в условиях доступности сигнала одного навигационного спутника.

Способ определения угловой ориентации объекта, включающий получение информации о координатах подвижного объекта от бортовой инерциальной навигационной системы, прием сигналов от спутниковой радионавигационной системы при помощи трех закрепленных на подвижном объекте и не лежащих на одной прямой антенн навигационных приемников А0, A1, A2, последующую обработку информации и получение значений параметров угловой ориентации, отличающийся тем, что обработку информации проводят путем коррекции ошибки в параметрах угловой ориентации, полученных от инерциальной навигационной системы, с использованием сигналов одного доступного навигационного спутника, при этом по разности фаз сигналов, поступающих от спутника на разнесенные антенны А0 и A1 определяют угол β1 между базой антенн d1 и направлением на спутник, по информации от бортовой инерциальной навигационной системы о координатах и параметрах ориентации объекта и по информации от спутниковой навигационной системы о координатах спутника определяют угол β1* между базой антенн d1 и направлением на спутник, по разности фаз сигналов, поступающих от спутника на разнесенные антенны А0 и A2, определяют угол β2 между базой антенн d2 и направлением на спутник, по информации от бортовой инерциальной навигационной системы о координатах и параметрах ориентации объекта и по информации от спутниковой навигационной системы о координатах спутника определяют угол β2* между базой антенн d2 и направлением на спутник, в случае, если величины β1 и β1*, β2 и β2* отличаются между собой на величину больше заданной, осуществляют коррекцию ошибки в параметрах угловой ориентации, полученных от бортовой инерциальной навигационной системы.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способу получения и ресиверу для радионавигационного сигнала, модулированного СВОС распространяющимся колебательным сигналом. .

Изобретение относится к области жизненных потребностей человека, а более конкретно - к способам и устройствам для спасения жизни людей, терпящих бедствие на море, в том числе - людей, катапультировавшихся с летательных аппаратов, и может быть использовано для поиска и спасения этих людей в сложных гидрометеорологических условиях - низкой облачности, тумане, в условиях полярной ночи, и при отсутствии у этих людей возможности определения своих координат, а также в условиях отсутствия прямой связи (радиосвязи) со спасателями.

Изобретение относится к радиолокации и может быть использовано для определения местоположения с использованием системы абсолютного позиционирования и системы относительного позиционирования.

Изобретение относится к группе космических аппаратов, например спутников, предназначенных для перемещения строем и, в частности, касается контроля относительных положений космических аппаратов по отношению друг к другу.

Изобретение относится к цифровой вычислительной технике, а именно к цифровым вычислительным системам для обработки входной информации о характеристиках боевых средств, ее преобразовании, выбора необходимой стратегии, формировании критериев противоборства с выявлением результатов боя, оценки своих потерь и нанесенного противнику ущерба, может быть использовано командным составом Вооруженных Сил в процессе его обучения и переучивания, проведения командно-штабных учений и непосредственно для планирования группового боя (ГБ).

Изобретение относится к системам определения относительного местоположения. .

Изобретение относится к области радионавигации и может быть использовано для координатной привязки объектов с сантиметровой точностью, для определения угловой ориентации объектов, а также для синхронизации измерительных комплексов с использованием сигналов спутниковых радионавигационных систем (СРНС) GPS и ГЛОНАСС.

Изобретение относится к глобальной спутниковой навигационной системе. .

Изобретение относится к области испытательной и измерительной техники, в частности к акустической локации, и позволяет определить координаты и вектор скорости объекта, движущегося со сверхзвуковой скоростью.

Изобретение относится к области спутниковой навигации и может быть использовано в трактах обработки информации навигационной аппаратуры потребителей (НАП) сигналов глобальных спутниковых систем (спутниковых навигационных систем GPS (США) и ГЛОНАСС (Россия)).

Изобретение относится к области радиолокации и вычислительной техники

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к системам радиоконтроля для определения местоположения источников радиоизлучения, сведения о которых отсутствуют в базе данных Государственных радиочастотных служб или государственных служб надзора за связью

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к радионавигации, и может быть использовано для определения пространственной ориентации и местоположения подвижного объекта

Изобретение относится к беспроводной связи и, в частности, к измерению времени прихода сигнала и определению местоположения в системах беспроводной связи

Изобретение относится к системам радиоконтроля для определения местоположения источников радиоизлучения, сведения о которых отсутствуют в базе данных государственных радиочастотных служб или государственных служб надзора за связью

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в радиотехнике для определения азимутального и угломестного направлений на источники многолучевых радиосигналов в условиях априорной неопределенности относительно числа лучей, поляризационных и пространственных параметров радиосигналов, шумов и помех

Изобретение относится к способу оптического определения положения и ориентации некоторого объекта при помощи оптического устройства, содержащего по меньшей мере один параллелограмм, жестко связанный с упомянутым объектом, причем это оптическое устройство имеет в своем составе оптические средства и электронные средства анализа, дающие возможность определить координаты четырех вершин параллелограмма A'B'C'D' в ортонормированной системе координат с центром в точке О, обозначенной Ro(O, , , )

Изобретение относится к области навигации

Наверх