Способ определения местоположения наземных подвижных объектов

Авторы патента:

G01C21/12 - выполняемые на объекте, для которого производятся навигационные измерения; апериодические вычисления

Владельцы патента RU 2445576:

Открытое акционерное общество "Концерн "Созвездие" (RU)

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения координат подвижных наземных объектов, в частности автотранспортных средств, особенно в автономных навигационных системах. Технический результат - расширение функциональных возможностей и повышение точности определения координат. Для достижения данного результата в способе, основанном на определении местоположения подвижных наземных объектов в автономном режиме, при котором осуществляют отсчет от последних известных координат, полученных при помощи обработки сигналов спутниковой навигационной системы, измеряют параметры движения объектов и производят расчет географических координат. Согласно изобретению измеряют дирекционный угол с помощью измерителя угла поворота, угол места с помощью акселерометра и радиальную скорость с помощью доплеровского радиолокационного измерителя скорости, осуществляют расчет координат объекта в прямоугольной системе и путем пересчета определяют местоположение наземного подвижного объекта в географической системе координат.

Изобретение относится к области приборостроения, измерительной техники и может быть использовано в приборах для определения координат подвижных наземных объектов, в частности автотранспортных средств, особенно как автономная навигационная система.

Известен способ определения координат наземного подвижного объекта с помощью спутниковых навигационных систем [Яценков В.С. Основы спутниковой навигации. Системы GPS NAVSTAR и ГЛОНАСС. - М., 2005. - 272 с., с.69-74]. Недостатками данного способа является то, что сигнал от спутниковых навигационных систем, таких как GPS и ГЛОНАСС, плохо проходит в условиях высокой плотности городской застройки, гор, в том числе горных ущелий, сильной облачности, может плохо проходить в условиях лесистой местности, может быть эффективно подавлен при помощи радиопомех и т.д.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ определения местоположения подвижных наземных объектов, в частности автотранспортных средств [Ашихмин А.В., Козьмин В.А., Крыжко И.Б. Интегрированная навигационная система для мобильных станций радиоконтроля // Специальная техника, 2008 г., №5-6, с.34-45], принятый за прототип.

Способ-прототип определения местоположения транспортных средств заключается в следующем:

1) при пропадании навигационного сигнала, поступающего со спутника на приемник GPS, система переходит в автономный режим, который ограничен по длительности (1-3 минуты) из-за накопления ошибок при определении координат подвижного наземного объекта;

2) измеряются параметры движения подвижного наземного объекта: угловая скорость и модуль линейной скорости наземного подвижного объекта, получаемые при помощи блока инерциальной навигационной системы (ИНС), в которую входят гироскоп и датчик скорости, работа которого основана на счислении оборотов колеса;

3) на основании вышеполученных данных при помощи модуля вычислителя рассчитываются географические координаты подвижного наземного объекта.

Способ-прототип реализуется при работе навигационной системы в автономном режиме, в состав которой входит модуль вычислителя и набор модулей датчиков: два приемника GPS, гироскоп, датчик скорости автомобиля, показания которого пропорциональны оборотам колеса.

Способ-прототип требует использования автомобильного датчика скорости, работа которого основана на счислении оборотов колеса, что, как говорилось выше, негативно сказывается на точности. Способ при определении местоположения подвижного наземного объекта не учитывает угол места (вертикальный угол), следовательно, невозможно рассчитать высоту (координату по высоте). Конструктивно в навигационной системе не используется акселерометр, а используется один гироскоп. Все это ограничивает использование рассматриваемой навигационной системы, работающей в автономном режиме, в частности, ее эффективно можно использовать только в равнинной местности и неэффективно в горной местности.

Недостатками способа-прототипа являются ограниченные функциональные возможности и невысокая точность определения координат подвижного наземного объекта.

Задача предлагаемого технического решения - расширение функциональных возможностей и повышение точности определения координат.

Для решения поставленной задачи в способе, основанном на определении местоположения подвижных наземных объектов в автономном режиме, при котором осуществляют отсчет от последних известных координат, полученных при помощи обработки сигналов спутниковой навигационной системы, измеряют параметры движения объектов и производят расчет географических координат, согласно изобретению измеряют дирекционный угол с помощью измерителя угла поворота, угол места с помощью акселерометра и радиальную скорость с помощью доплеровского радиолокационного измерителя скорости, осуществляют расчет координат объекта в прямоугольной системе и путем пересчета определяют местоположение наземного подвижного объекта в географической системе координат.

Предлагаемый способ заключается в следующем.

В момент пропадания сигнала от спутниковой навигационной системы запоминаются последние полученные координаты от датчика GPS/ГЛОНАСС: φ₀ - широта, λ₀ - долгота, h₀ - высота. Затем осуществляется переход навигационной системы в автономный режим, при котором система определяет текущие координаты мобильного объекта относительно точки начала движения на основе автономных измерений текущих значений скорости, азимута и угла места в дискретные моменты времени.

Местоопределение осуществляется в прямоугольной относительной системе координат х, у, z, где х, у - координаты в горизонтальной плоскости, z - в вертикальной плоскости.

Начальная точка в относительной системе прямоугольных координат имеет координаты х₀=0, у₀=0, z₀=0.

Принцип местоопределения предусматривает представление сложной траектории перемещения объекта в виде последовательности прямых участков, длина каждого из которых равна пути, который проходит подвижный наземный объект в последовательные краткосрочные одинаковые отсчеты (моменты) времени Δt, в которые осуществляется измерение трех параметров движения: радиальной скорости V_i, угла направления (дирекционного угла) α_i, и угла места θ_i, и пересчет текущих координат наземного подвижного объекта.

Путь (шаг), который проходит объект за время между последовательными отсчетами времени Δt рассчитывается с использованием выражения:

;

где V_i-1, V_i, - радиальная скорость наземного подвижного объекта, в смежные дискретные промежутки времени Δt;

Δt - время, за которое происходит прием и обработка информации, поступающей от аппаратуры, входящей в состав навигационной системы, и расчет текущих координат наземного подвижного объекта.

Тогда после одного шага:

После двух шагов:

Окончательно формула, которая дает в относительной прямоугольной системе координаты объекта, совершившего N шагов от точки (0,0,0), представляется в общем виде так:

Затем, полученные координаты подвижного наземного объекта в прямоугольной системе координат пересчитываются в географическую систему координат (при допущении: поверхность Земли - сфера) по формулам:

- географическая широта подвижного наземного объекта;

- географическая долгота подвижного наземного объекта;

где r=111321 м - часть длины экватора, приходящаяся на один географический градус.

Географическая высота подвижного наземного объекта находится по формуле

h=z_N+h₀.

Заметим, что x_N, у_N, z_N, h₀ - должны измеряться в метрах, φ, φ₀, λ, λ₀ - в градусах.

Рассмотрим вопрос практической реализации способа.

Для измерения углов места и направления будем использовать акселерометр и одноосный измеритель угла поворота соответственно, а радиальной скорости - доплеровский радиолокатор. Доплеровский радиолокатор выполнен по схеме автодинного генератора миллиметрового диапазона [В.Я.Носков, С.М.Смольский. Современные гибридно-интегральные автодинные генераторы микроволнового и миллиметрового диапазона и их применение. Часть 6. Исследование радиоимпульсных автодинов // Успехи современной радиоэлектроники, 2009 г., №6, с.3-51].

Принятые сигналы с доплеровского радиолокатора, акселерометра, одноосного измерителя угла поворота для дальнейшей обработки оцифровываются с помощью аналого-цифровых преобразователей (АЦП) и обрабатываются модулем, реализованным на программируемой логической интегральной схеме (ПЛИС).

Приведем пример используемой элементной базы: акселерометр LIS3LV02DL (STMicroelectronics), одноосный измеритель угла поворота ГЛ-1 (Раменский приборостроительный завод), АЦП LTC2207IUK (Linear Technology), ПЛИС EP3C16Q240C8N (Altera).

Таким образом, способ-прототип позволяет производить определение координат подвижного наземного объекта, включая координату по высоте, а также определять его местоположение не только на равнинной, но и горной местности, в условиях, когда невозможно определить его координаты при помощи спутниковой навигационной системы.

Способ определения местоположения наземных подвижных объектов в автономном режиме, при котором осуществляют отсчет от последних известных координат, полученных при помощи обработки сигналов спутниковой навигационной системы, измеряют параметры движения объектов и производят расчет географических координат, отличающийся тем, что измеряют дирекционный угол с помощью измерителя угла поворота, угол места с помощью акселерометра и радиальную скорость с помощью доплеровского радиолокационного измерителя скорости, осуществляют расчет координат объекта в прямоугольной системе и путем пересчета определяют местоположение наземного подвижного объекта в географической системе координат.

Изобретение относится к космической радионавигации и может применяться в измерительных средствах определения ориентации космического аппарата, предназначенных для коррекции параметров ориентации бортовой инерциальной навигационной системы (ИНС).

Способ контроля целостности широкозонных дифференциальных подсистем спутниковых радионавигационных систем // 2361231

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для повышения непрерывности обслуживания пользователей широкозонных дифференциальных подсистем (ШДПС) спутниковых радионавигационных систем (СРНС) GPS (Global Positioning System) и ГЛОНАСС (Глобальная навигационная система) в условиях воздействия внезапных неблагоприятных факторов, таких как геомагнитные возмущения, мощные кратковременные радиошумы, локальные шумы многолучевости.

Гравиметрический способ определения уклонения отвесной линии в океане на подвижном объекте // 2348009

Изобретение относится к области морской геодезии и может быть использовано для определения уклонения отвесной линии (УОЛ) в океане на подвижном объекте в целях навигационно-гидрографического обеспечения его навигационного комплекса.

Навигационно-топографический внутритрубный инспектирующий снаряд // 2321828

Изобретение относится к области неразрушающего контроля и может быть использовано для проверки пространственного положения магистральных трубопроводов большой протяженности и привязки их продольной оси к топографическим или географическим картам.

Способ выставки осей подвижного объекта // 2320963

Изобретение относится к области внутритрубных инспектирующих снарядов, предназначенных для автономного определения геодезических координат трассы подземных газо- и нефтепроводов.

Способ определения навигационных параметров летательного аппарата и устройство для его осуществления // 2313067

Изобретение относится к области определения пилотажно-навигационных параметров ЛА. .

Бесплатформенная система ориентации // 2282199

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться в инерциальных системах ориентации и навигации. .

Способ калибровки параметров бесплатформенного инерциального измерительного модуля // 2269813

Изобретение относится к средствам ориентации и навигации объектов, подвижных в тех или иных средах, в частности внутритрубных инспектирующих снарядов магистральных трубопроводов.

Способ гирокомпасирования с применением гироскопического датчика угловой скорости при неточной выставке гироскопа на объекте // 2267748

Изобретение относится к области точного приборостроения, преимущественно гироскопического, и может быть использовано при создании гирокомпасов аналитического типа.

Способ измерения магнитного курса подвижного объекта и устройство для его осуществления // 2262075

Изобретение относится к области навигационного приборостроения с использованием магнитного поля Земли и предназначено для построения приборов измерения магнитного курса и углов наклона подвижных объектов.

Блок ориентации пилотажно-навигационного комплекса // 2467288

Изобретение относится к авиационной технике, в частности к блокам ориентации самолетов и вертолетов

Бесплатформенная инерциальная курсовертикаль на чувствительных элементах средней точности // 2487318

Изобретение относится к области приборостроения и может найти применение в бесплатформенных инерциальных системах навигации (БИНС) для различных классов носителей от наземных до авиационных, в частности в бесплатформенных системах ориентации (БСО)

Способ повышения точности бесплатформенной инерциальной системы ориентации на основе трехосных волоконно-оптических гироскопов с одним общим источником излучения // 2502048

Изобретение относится к области навигационного приборостения и может найти применение в бесплатформенных инерциальных навигационных системах (БИНС) и бесплатформенных инерциальных системах ориентации (БИСО) на трехосных волоконно-оптических гироскопах (ТВОГ) с одним общим источником излучения (ОИИ). Технический результат - повышение точности. Для этого измеряют корреляционную матрицу шумов (КМШ) ТВОГ с ОИИ в условиях, максимально приближенных к условиям использования БИСО на управляемом объекте (УО); вычисляют оптимальную ориентацию (оптимальные ориентации) связанного базиса относительно корпуса УО, при которой (которых) проекции вектора измеряемой абсолютной угловой скорости (ВАУС) УО на оси связанного базиса таковы, что по определенному критерию обеспечивается минимум дисперсии ошибки БИСО; устанавливают БИСО на основе ТВОГ с ОИИ на УО и ориентируют оси чувствительности ТВОГ относительно измеряемого ВАУС УО по определенному критерию так, чтобы обеспечить минимум дисперсии ошибки БИСО. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Блок ориентации пилотажно-навигационного комплекса и способ калибровки в нем магнитометра // 2545076

Изобретение относится к авиационной технике, в частности к блокам ориентации самолетов и вертолетов. Технический результат - повышение точности пилотирования ЛА за счет введения калибровки магнитометра. Существенным отличием устройства является введение первого и второго устройства интерфейса и коммутирующего устройства. Существенным отличием способа является сравнение вычисленного фильтром гиромагнитного курса с истинным магнитным курсом, полученным через первое и второе устройства интерфейса. Разность вычисленного гиромагнитного курса и истинного магнитного курса вводят в ПЗУ каждого измерительного блока, после чего, разворачивая ЛА на углы, кратные 45°, разности гиромагнитного курса по отношению к истинным вводят в ПЗУ и используют при полете ЛА. Предложенное устройство используется в датчике курса и вертикали. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

Способ автоматизированного управления роботизированным средством по радиоканалу // 2550536

Изобретение относится к наземным робототехническим средствам транспорта груза в заданную точку пространства, а также доставке роботизированного средства в заданное место для выполнения им иных функций без присутствия человека. Техническим результатом является повышение эффективности управления роботизированным средством. В заявленном способе оператор на снимках отмечает ориентир, а также дает команду роботизированному средству о движении на заданное расстояние по отношению к выделенному ориентиру и задает траекторию движении. Далее через бортовое устройство управления роботизированное средство разворачивают для движения по заданной траектории, при этом отслеживают движение образа-ориентира на цифровых снимках с бортовых видеокамер. Далее осуществляют движение по заданной траектории, при этом постоянно вычисляют расстояние до ориентира, а также положение ориентира в поле зрения видеокамер и его масштаб при правильной траектории движения, причем при движении роботизированного средства с помощью устройства управления минимизируют разницу между ожидаемым положением центра ориентира или его оконечными точками и реально наблюдаемым положением центра ориентира или его оконечными точками. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Способ измерения курса летательного аппарата // 2556286

Изобретение относится к измерительным системам и может быть использовано при измерении курса летательного аппарата. Новизна способа заключается в том, что в оптико-электронной системе переднего обзора измеряют углы ориентации относительно строительных осей ЛА гиростабилизированного поля зрения телевизионного (ТВ) или тепловизионного (ТП) датчика изображений (ДИ), в котором оптическое изображение формируется в фокальной плоскости и считывается матричными чувствительными элементами, выделяют по ТВ/ТП изображениям опорные точки на поверхности Земли для их дальнейшего сопровождения, фиксируют траектории перемещения изображений опорных точек по фокальной плоскости ДИ, сопровождая их на последовательности кадров и регистрируя их координаты, моменты времени формирования соответствующих кадров, углы ориентации поля зрения ДИ относительно строительных осей ЛА, показания датчиков ускорений и формируемые с помощью СНС и ИНС оценки составляющих вектора скорости по строительным осям ЛА в эти моменты времени, выделяют на траекториях пары одновременно формируемых участков, для каждой пары выделенных участков траекторий определяют координаты точки схождения как точки пересечения продолжений хорд, стягивающих эти участки, определяют параметры угловых положений линий визирования, проходящих через полученные точки схождения, и центр проекции, который используется в ДИ для формирования оптического изображения, находя тем самым направления векторов средних скоростей ЛА на интервалах времени формирования выделенных пар участков траекторий движения изображений опорных точек по фокальной плоскости, используя зарегистрированные данные корректируют полученные направления векторов средних скоростей ЛА, приводя их к текущему моменту времени, определяют параметры углового положения вектора скорости ЛА в текущий момент времени относительно системы координат, связанной с полем зрения ДИ, как результат осреднения скорректированных параметров углового положения векторов средних скоростей ЛА, по найденным параметрам углового положения вектора скорости ЛА, углам ориентации поля зрения ДИ относительно строительных осей ЛА и углам крена и тангажа в текущий момент времени определяют углы, задающие направление полета относительно строительных осей ЛА и направление вектора путевой скорости ЛА относительно проекции продольной оси ЛА на горизонтальную плоскость (угол сноса). Технический результат заключается в повышении точности измерения курса летательного аппарата. 1 н.п. ф-лы, 3 ил.

Способ определения угла крена объекта, стабилизированного вращением // 2561795

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способу определения углового положения (в частности, угла крена) объекта, стабилизированного вращением (ОСВ), в пространстве. Способ определения угла крена объекта, стабилизированного вращением (ОСВ), заключается в том, что начиная с момента начала движения t0, на который известен априори угол крена объекта φнач, измеряют угловую скорость вращения ОСВ ω(t), путем интегрирования которой по времени от момента τ0 до конечного известного момента tk определяют величину изменения угла крена объекта, а величину угла крена φ(tk) на момент tk определяют согласно выражению: . При этом производят наблюдение за физическим параметром P(t), функционально связанным с изменением угла крена ОСВ, формируют, по меньшей мере, два раза момент τ0, являющийся характерной точкой на графике изменения физического параметра, например переходом физического параметра P(t) через «ноль» на участке установившегося движения. А интегрирование угловой скорости вращения ОСВ по времени осуществляют от момента начала движения t0 до первого сформированного момента τ0 нач и фиксируют величину интеграла - . Причем наблюдение за физическим параметром P(t) прекращают до возобновления в момент сформированного последующего второго момента τ0 посл, максимально приближенного к моменту tk, при этом изменение угла крена Δφ(t) относительно момента τ0 посл вычисляют согласно выражению: , где τ - измеренное время от τ0 посл до момента tk; Тпосл - измеренный период вращения в процессе формирования момента τ0 посл, а величину угла крена объекта φ(tk) на момент tk определяют согласно выражению: . Изобретение обеспечивает повышение точности определения угла крена ОСВ. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Навигационный комплекс подвижного объекта // 2563326

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах морской геодезии. Технический результат - расширение функциональных возможностей. Для этого дополнительно введена косвенная стабилизированная в горизонте платформа, на которой установлены три моментных электродвигателя с сервоприводом, четыре акселерометра с вертикальной осью чувствительности и с механизмом их перемещения в горизонте первой пары акселерометров навстречу друг другу по заданному направлению и второй пары акселерометров навстречу друг другу по направлению, перпендикулярному заданному направлению перемещения первой пары акселерометров, измеритель линейной скорости перемещения акселерометров относительно подвижного объекта, регистратор моментов встречи двух акселерометров на траверзе первой и второй пары, при этом все устройства функционально связаны через введенный блок управления с бортовым вычислителем, в котором вычисляют искомые значения составляющих уклонения отвесной линии в меридиане и в первом вертикале. 3 ил.

Способ инерциальной навигации и устройство для его осуществления // 2572403

Изобретение относится к области навигационных измерений и может быть использовано для определения координат местоположения подвижного объекта, например летательного аппарата (ЛА). Для достижения этой цели дополнительно осуществляют компенсацию погрешностей блока акселерометров за счет погрешностей акселерометров второго блока путем разворота чувствительных элементов до достижения максимума разности показаний акселерометров, приведенных к единой системе координат. Устройство является инерциальной навигационной мультисистемой, содержащей два навигационных вычислителя, два блока гироскопов, два блока акселерометров и систему управления пространственным положением блоками чувствительных элементов. Технический результат - повышение точности определения пилотажных и навигационных параметров полета летательного аппарата. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Меточный датчик аэродинамического угла и истинной воздушной скорости // 2585126

Изобретение относится к устройствам для измерения величины (модуля) и угла направления (аэродинамического угла) вектора истинной воздушной скорости, а также других высотно-скоростных параметров летательного аппарата (ЛА), определяющих движение ЛА относительно окружающей воздушной среды. Технический результат - расширение функциональных возможностей. Предложенное устройство содержит генератор ионных меток, канал регистрации ионных меток в виде системы приемных электродов, расположенных по окружности с центром в точке генерации ионных меток, и блока предварительных усилителей, измерительную схему в виде канала определения рабочего сектора, являющегося каналом грубого отсчета, канала точного измерения угла в рабочем секторе и канала истинной воздушной скорости, подключенных ко входу вычислительного устройства, выходы которого являются цифровыми выходами по аэродинамическому углу и истинной воздушной скорости. 4 ил.