Способ формирования локальных геодезических сетей и определения координат целей с использованием метода относительных определений параметров

Изобретение относится к геодезии, в частности к способам топогеодезической подготовки боевых действий ракетных войск и артиллерии Сухопутных войск. Для решения задачи комплексирования одометрического и спутниковых каналов служит вычислитель со специальным программно-математическим обеспечением (СПМО). Автономная одометрическая навигационная станция (НС) вырабатывает выходную информацию (плоские прямоугольные координаты) по данным о пути (скорости) и дирекционном угле (азимуте) наземного подвижного объекта. Процесс формирования локальных геодезических сетей и определения координат целей реализуется при наличии навигационной аппаратуры потребителей спутниковых навигационных систем (НАП СНС), вычислителя с СПМО и радиостанции с интерфейсом к вычислителю, а также при вычислениях применяется метод относительных определений геодезических параметров. Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, заключается в создании способа формирования локальных геодезических сетей и определении координат целей с использованием метода относительных определений параметров, в котором осуществляется комплексирование данных навигационной аппаратуры потребителей спутниковых навигационных систем и инерциальных навигационных систем, реализующих соответственно абсолютный и относительный способы измерений и обладающих различными спектральными характеристиками ошибки, что позволяет объединить преимущества и ослабить недостатки обеих систем. 2 ил.

 

Изобретение относится к геодезии, в частности к способам топогеодезической подготовки боевых действий ракетных войск и артиллерии Сухопутных войск.

Известен «Учебник сержанта ракетных войск и артиллерии Сухопутных войск» для командиров топогеодезических отделений и топопривязчиков, книга 4, утвержденный командующим ракетными войсками и артиллерией Сухопутных войск, под редакцией В.В.Бурова Воениздат. М., 1975, стр.4-8.

В учебнике изложены основы топогеодезической подготовки боевых действий ракетных войск и артиллерии Сухопутных войск - способ создания опорной артиллерийской (локальной) сети, т.е. совокупности закрепленных на местности опорных точек, создаваемых как исходная основа для топографической привязки элементов боевого порядка ракетных войск и артиллерии и подготовки исходных данных для стрельбы.

Топогеодезическая подготовка ракетных войск и артиллерии включает:

- создание исходной основы для топогеодезической привязки;

- топогеодезическую привязку позиций, пунктов, постов.

Исходная основа для топогеодезической привязки (геодезические сети и каталоги координат геодезических пунктов, топографические и специальные карты, аэроснимки с координатной сеткой создаются заблаговременно в мирное и военное время, а также непосредственно в ходе военных действий.

К геодезическим сетям относятся:

- государственная геодезическая сеть (ГГС);

- специальные геодезические сети (СГС).

Государственная геодезическая сеть создается по единому плану в масштабе государства и является основой для составления топографических карт и выполнения геодезических измерений. Данные о пунктах ГГС помещаются в каталоги, в которых содержатся следующие сведения: название пункта с указанием типа и высоты наружного знака, класс пункта, полные прямоугольные координаты, абсолютная высота, дирекционные углы направлений на ориентирные пункты и другие геодезические пункты с указанием названий этих пунктов и расстояний до них.

СГС создаются на основе пунктов ГГС в районах развертывания войск с целью обеспечения их действий. Для каждого пункта СГС определяют его координаты, дирекционные углы сторон сети и направлений на ориентирные пункты.

Пункты СГС на местности закрепляются постоянными или временными центрами и обозначаются наружными знаками. Данные о пунктах СГС помещаются в списки координат, которые составляются на каждый позиционный район.

Кроме создания исходной основы составной частью топогеодезической подготовки является топогеодезическая привязка позиций, пунктов, постов, которая включает: определение координат и высот позиций, пунктов, постов и определение дирекционных углов ориентирных направлений. Координаты позиций ракетных и артиллерийских подразделений используются при определении дальности до цели и направления на нее, координаты пунктов, постов - при определении координат целей. Высоты позиций обеспечивают возможность при подготовке данных определить поправку в дальность до цели за счет превышения цели над позицией. Дирекционные углы ориентирных направлений необходимы для наведения в заданном направлении (на цель) ракет, пусковых установок и орудий.

Координаты привязываемых точек и дирекционные углы ориентирных направлений определяют с помощью приборов относительно пунктов и направлений геодезических сетей.

Недостатками данного способа создания опорной артиллерийской (локальной) сети топогеодезическими подразделениями и топопривязчиками, взятого за прототипа, являются:

- высокая погрешность при определении параметров локальных геодезических сетей;

- высокие временные затраты при проведении топогеодезической привязки;

- невозможность обеспечения функционирования высокоточных систем вооружений;

- необходимость использования большого количества топогеодезических расчетов для боевого обеспечения крупных подразделений войск;

- необходимость проведения большого количества контрольных замеров для обеспечения требуемой точности;

- низкий уровень технических средств, применяемых в топопривязчике.

Предлагаемым изобретением решается задача по повышению эффективности топогеодезического обеспечения Сухопутных войск.

Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, заключается в создании способа формирования локальных геодезических сетей и определении координат целей с использованием метода относительных определений параметров, в котором осуществляется комплексирование данных навигационной аппаратуры потребителей спутниковых навигационных систем и инерциальных навигационных систем, реализующих соответственно абсолютный и относительный способы измерений и обладающих различными спектральными характеристиками ошибки, что позволяет объединить преимущества и ослабить недостатки обеих систем.

Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе формирования локальных геодезических сетей и определения координат целей с использованием метода относительных определений параметров, включающем в себя определение с помощью навигационной системы (НС) координат, дирекционных углов на ориентирные направления пунктов локальных геодезических сетей, закрепление полученных данных на местности постоянными или временными центрами, составление списков координат на каждый позиционный район с дальнейшей топогеодезической привязкой позиций, пунктов, постов, новым является то, что процесс формирования локальных геодезических сетей и определения координат целей реализуется при наличии навигационной аппаратуры потребителей спутниковых навигационных систем (НАП СНС), вычислителя со специальным программно-математическим обеспечением (СПМО), обеспечивающим комплексирование сигналов автономной одометрической НС и сигналов НАП СНС, и радиостанции с интерфейсом к вычислителю за счет использования специального режима работы НАП СНС - дифференциального режима методом относительных определений геодезических параметров, для реализации которого задается локальная система координат с началом координат в одной из составляющих локальной геодезической сети.

Реализация процесса формирования локальных геодезических сетей и определения координат целей при наличии НАП СНС, вычислителя с СПМО, обеспечивающим комплексирование сигналов автономной одометрической НС и сигналов НАП СНС, и радиостанции с интерфейсом к вычислителю позволяет:

- создать локальную систему координат, связанную со всеми элементами комплекса вооружений;

- обеспечить оперативное управление и обеспечение геодезической информацией подразделения войск и отдельные единицы вооружений;

- обеспечить получение геодезической информации в различных условиях местности, в любом месте, при различных климатических и погодных условиях;

- повысить степень автоматизации подготовки исходных данных для стрельбы;

- повысить управляемость и боеготовность войсковых подразделений.

Использование специального режима работы НАП СНС - дифференциального режима, разновидностью которого является метод относительных определений геодезических параметров, позволяет:

- повысить точность геодезических определений;

- повысить степень сгущения геодезических сетей высокого класса;

- исключить необходимость использования развитых специальных геодезических сетей;

- повысить точность поражения цели.

Технические решения с признаками, отличающими заявляемое решение от прототипа, не известны и явным образом из уровня техники не следуют. Это позволяет считать, что заявляемое решение является новым и обладает изобретательским уровнем.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показана схема определения координат цели с началом координат локальной геодезической сети в месте размещения машины начальника штаба; на фиг.2 - схема определения координат цели с началом координат локальной геодезической сети в месте размещения наблюдательного пункта (топопривязчика).

Способ формирования локальных геодезических сетей и определения координат целей с использованием метода относительных определений параметров реализуется следующим образом.

Тенденции развития современных вооруженных сил и опыт локальных конфликтов последнего времени указывают на значительное увеличение роли высокоточных систем вооружений. Это обуславливает повышение требований к эксплутационным и точностным характеристикам средств топогеодезического обеспечения войск.

К настоящему времени резервы совершенствования классических НС, использующих принцип счисления координат по информации датчиков, основанных на различных физических принципах, практически исчерпаны. Наиболее перспективным направлением решения этой проблемы является интеграция в приборный состав НС НАП СНС, что позволяет получать информацию об абсолютных координатах, скорости движения и времени потребителя в любом месте, где обеспечивается радиовидимость достаточного количества навигационных космических аппаратов (НКА).

Комплексирование НАП СНС и классических НС, реализующих соответственно абсолютный и относительный способы измерений и обладающих различными спектральными характеристиками ошибки, позволяет объединить преимущества и ослабить недостатки обеих систем. Кроме того, имеется возможность значительно повысить точность топогеодезических работ за счет использования специальных режимов работы НАП СНС.

Для решения задачи комплексирования одометрического и спутниковых каналов служит вычислитель с СПМО. Автономная одометрическая НС вырабатывает выходную информацию (плоские прямоугольные координаты) по данным о пути (скорости) и дирекционном угле (азимуте) наземного подвижного объекта.

Если прямоугольные координаты представить в комплексной форме:

то алгоритм счисления координат можно представить выражением:

где K - прямоугольные координаты текущего положения в комплексной форме;

R - модуль радиус - вектора приращения координат;

V - модуль скорости движения (величина скорости);

a _R - дирекционный угол радиус-вектора приращения координат;

а _V - дирекционный угол направления вектора скорости;

К_H=Х_H+JY_H - координаты точки начала движения. С учетом погрешностей выражение (2) принимает вид:

Постоянные составляющие a _V и Δa _V приводят к изменению модуля радиус-вектора приращения координат и к отклонению его от истинного его положения из-за погрешностей датчиков угловой ориентации и взаимных уходов продольной оси и вектора скорости. С учетом этого приборные координаты равны:

где Δ_H=ΔХ_H+j·ΔY_H - погрешность задания координат точки начала движения;

- составляющая погрешности счисления радиус-вектора, обусловленная погрешностью датчиков пути;

- составляющая погрешности счисления направления радиус-вектора, обусловленная постоянной погрешностью измерения дирекционного угла продольной оси и постоянным расхождением дирекционного угла продольной оси и направлением движения шасси;

Δ - остаточная погрешность счисления координат из-за наличия переменной погрешности датчиков пути и датчиков угловой ориентации.

Требуемая точность счисления координат системой топопривязки обеспечивается ее периодической юстировкой. Однако так называемые постоянные погрешности медленно изменяются во времени. Основным фактором, вызывающим их изменения, являются условия движения: изменение дорожных условий, повороты при кренах, смена покрытия дорог и т.п. Медленность изменений не позволяет учесть их при калибровке, но позволяет определять их усредненные (сглаженные) значения при наличии в составе топопривязчика (ТП) эталонной аппаратуры определения координат, работающей на других принципах, хотя бы не в любой момент движения объекта.

В качестве такой аппаратуры используется НАП CMC, определяющая координаты по радиосигналам НКА.

Приборные координаты, получаемые с НАП СНС, равны:

где К_ИСТ - истинные координаты;

Δ_НАП - погрешность определения координат по НАП СНС.

Сравнение показаний одометрической НС и НАП СНС нагляднее проводить в виде векторов приращений определяемых ими координат:

Применяя к формулам (6) метод парной регрессии в сочетании с весовыми поправками, учитывающими оценку точности НАП СНС, приходим к следующим рабочим формулам для вычисления поправок для датчиков пути и датчиков угловой ориентации:

где К - коэффициент калибровки в путевой системы;

dA - поправка в курсовой системе;

MD_i - величина, характеризующая точность НАП.

Комплексированное значение координат вычисляется по формулам:

Комплексированная система во время работы НАП СНС обладает точностью НАП СНС с усреднением за период наблюдений, а в паузе работы, когда корректировка ведется по памяти, точность с увеличением продолжительности паузы постепенно возвращается к качеству одометрической НС, откалиброванной за период наблюдений НАП СНС.

Процесс формирования локальных геодезических сетей и определения координат целей реализуется в дифференциальном режиме работы НАП СНС методом относительных определений геодезических параметров. Причем в данном случае совокупность программно аппаратных средств, размещенных в опорной точке, выполняют роль контрольной станции (КС). В основу метода относительных определений положено вычисление приращений координат между опорной и определяемой точками путем сопоставления данных одних и тех же НКА, синхронно наблюдаемых на КС и потребителем:

где ΔК_П - вектор приращения координат потребителя относительно опорной точки;

K_ППР, К_КСПР - векторы оценок координат определяемой и опорной точек по НАП СНС.

При использовании метода относительных определений задается локальная система координат с началом в КС, причем при наличии эталонных координат КС возможно высокоточное определение абсолютных координат потребителя. Такая особенность метода относительных определений позволяет использовать его для решения широкого круга задач навигации и геодезии - от автоматизации посадки летательных аппаратов до сгущения геодезических сетей высокого класса. Максимальную точность обеспечивают измерения на фазе несущей частоты, наиболее полно реализующие точностной потенциал НАП СНС.

Для реализации относительных определений в локальной геодезической сети ее составляющие должны быть оснащены НАП СНС, вычислителем с установленным СПМО и радиостанцией с интерфейсом к вычислителю. При выборе ТП, машины командира батареи или какой-либо другой единицы комплекса в качестве основного узла образуется локальная система координат, связанная с таким объектом. В качестве его истинных координат может быть принято: первое достоверное определение коодинат в абсолютном режиме, накопленное значение координат в абсолютном режиме, значение координат, скорректированное по данным другой КС, значение координат с ЦЭК, значение координат, полученное привязкой к пункту СГС. Отличие указанных вариантов состоит в точности геодезических данных, передаваемых за пределы единого навигационного поля. Один такой узел способен обеспечить корректирующей информацией любое количество потребителей на площади в несколько десятков тысяч км².

Формирование геодезической компоненты исходных данных для стрельбы осуществляется следующим образом. С помощью аппаратуры дистанционной привязки (ДП) измеряются полярные координаты цели (Ц) (азимут, вертикальный угол, наклонная дальность). Параллельно этому результаты обсерваций НАП СНС на НП (ТП) протоколируются на интервале 1…3 минут в форме сжатого информационного пакета с дальнейшей передачей его по радиоканалу вычислителю машины начальника штаба (МНШ). В результате работы СПМО вырабатывается информация о прямоугольных координатах цели в системе координат, связанной с МНШ. Определение координат огневой позиции (ОП) проводится аналогично НП (ТП), затем осуществляется расчет исходных данных для стрельбы, наведение орудия и поражение цели.

Точность определения координат по данной схеме:

где σ_ОР - средняя квадратическая погрешность определения координат методом относительных определений;

σ_Ц - средняя квадратическая погрешность определения координат цели относительно МНШ;

σ_ЦУ - средняя квадратическая погрешность определения координат огневой позиции относительно цели.

Возможен вариант, при котором начало координат локальной геодезической сети размещается непосредственно на НП (ТП).

Точность определения координат по данной схеме:

Применение метода относительных определений НАП СНС позволяет многократно повысить точность подготовки исходных данных для стрельбы, доведя ее до величины, соизмеримой с габаритами типовых целей. Исключается необходимость в наличии развитой СГС, сокращается время и повышается степень автоматизации подготовки исходных данных для стрельбы. При этом не происходит радиодемаскирования НП (ТП) и огневой позиции, так как трансляция данных может осуществляться в беззапросном режиме в виде сжатых пакетов.

Таким образом, в предлагаемом изобретении решена задача по достижению технического результата, заключающегося в создании способа формирования локальных геодезических сетей и определения координат целей с использованием метода относительных определений параметров, в котором осуществляется комплексирование данных навигационной аппаратуры потребителей спутниковых навигационных систем и инерциальных навигационных систем, реализующих соответственно абсолютный и относительный способы измерений и обладающих различными спектральными характеристиками ошибки, что позволяет объединить преимущества и ослабить недостатки обеих систем.

Способ формирования локальных геодезических сетей и определения координат целей с использованием метода относительных определений параметров, включающий в себя определение с помощью навигационной системы (НС) координат, дирекционных углов на ориентирные направления пунктов локальных геодезических сетей, закрепление полученных данных на местности постоянными или временными центрами, составление списков координат на каждый позиционный район с дальнейшей топогеодезической привязкой позиций, пунктов, постов, отличающийся тем, что процесс формирования локальных геодезических сетей и определения координат целей реализуется при наличии навигационной аппаратуры потребителей спутниковых навигационных систем (НАП CНC), вычислителя со специальным программно-математическим обеспечением (СПМО), обеспечивающим комплексирование сигналов автономной одометрической НС и сигналов НАП СНС, и радиостанции с интерфейсом к вычислителю за счет использования специального режима работы НАП СНС - дифференциального режима методом относительных определений геодезических параметров, для реализации которого задается локальная система координат с началом координат в одной из составляющих локальной геодезической сети.