Способ персональной автономной навигации



Способ персональной автономной навигации
Способ персональной автономной навигации
Способ персональной автономной навигации
Способ персональной автономной навигации
Способ персональной автономной навигации
Способ персональной автономной навигации
Способ персональной автономной навигации
Способ персональной автономной навигации
Способ персональной автономной навигации

 


Владельцы патента RU 2523753:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.) (RU)

Изобретение относится к области приборостроения, в частности к способам персональной навигации (пешеходной, автомобильной и пр.), и может быть использовано при решении задач локальной навигации (мининавигации). Технический результат - получение наиболее полной и достоверной информации о географических координатах объекта. Для этого на основании полученной инерциальной информации вычисляют по алгоритмам аналитического гиро-горизонт-широт-компасирования географической широты и параметров ориентации основания объекта: курс, тангаж и крен. При этом в дополнение к двум каналам инерциальных измерений формируют третий канал на основе идентификации магнитных свойств основания объекта, измерения вектора напряженности магнитного поля Земли (МПЗ), его коррекции и сравнения оценок векторов напряженностей МПЗ. 3 ил.

 

Изобретение относится к области приборостроения, в частности к способам персональной навигации (пешеходной, автомобильной и пр.), и может быть использовано при решении задач локальной навигации (мининавигации): для задач автономной навигации при проведении геологической, геофизической и военной разведки; навигации наземных транспортных средств при изыскании, строительстве и мониторинге дорог, трасс, трубопроводов; пешеходной или автомобильной навигации в неизвестной малоизученной местности или в пределах незнакомого города; технологической навигации мобильных роботов в закрытых пространствах при выполнении аварийно-спасательных работ в чрезвычайных ситуациях; групповой (корпоративной) навигации для осуществления походов и путешествий (в области альпинизма, спорта, охоты, рыболовства, активного отдыха на природе и пр.).

Известен угломерно-дальномерный способ персональной автономной навигации (журнал «Гироскопия и навигация», №4,2004, с.50-75), в котором направление движения объекта (пешехода или его индивидуального транспортного средства) определяется по показаниям цифрового магнитного компаса (ЦМК) и гироскопа (взаимно корректирующих друг друга), а величина пройденного пути определяется с помощью хорошо откалиброванного инерциального измерительного модуля на основе реализации интегрального алгоритма инерциального счисления пройденного пути и использования шагомера.

В данном способе геомагнитная информация используется только для определения направления движения пешехода или его транспортного средства. Информация о магнитном поле Земли (МПЗ) непосредственно для целей навигации (т.е. для определения координат местоположения объекта) в этом способе не используется. Однако ошибки интегрального инерциального способа счисления пути и ошибки шагомера в этом способе остаются.

Недостаток угломерно-дальномерного способа персональной автономной навигации на основе использования информации от ЦМК, гироскопа инерциального модуля и шагомера заключается в недостаточно высокой точности навигации, обусловленной накоплением погрешности во времени и в зависимости от пройденного пути.

Также известен способ персональной навигации, основанный на использовании сигналов глобальных спутниковых навигационных систем (GPS, ГЛОНАСС, Бэйдоу, Galileo). Использование способа спутниковой навигации для целей персональной навигации отражено в ряде заявок и патентов (US 20050033515 А1, опубл. 10.02.2005 г.; US 20070282565 А1, опубл. 06.12.2007 г.) и реализовано в многочисленных производственных образцах фирм Garmin, GlobalSat, Magellan и др., широко применяемых на практике.

Персональные спутниковые навигаторы обеспечивают высокоточное определение всех координат (φ, λ, r) точек текущего местоположения подвижного объекта (ПО), на котором находится навигатор. Однако этот способ не является автономным. Кроме того, реализация этого способа на практике характеризуется значительной сложностью: большими материальными, техническими, технологическими и финансовыми затратами, высокой себестоимостью, невысоким показателем помехоустойчивости, отказоустойчивости и доступности в любой точке околоземного пространства. Недостатками данного способа навигации являются такие реальные факторы, как многолучевость антенн спутников и навигатора; вредное влияние ионосферы Земли на радиосигналы навигационных спутников; влияние неполной и нерациональной геометрической конфигурации навигационных спутников (альманаха навигационных спутников); вредное влияние фактора «затенения» радиосигналов навигационных спутников наземными объектами.

В этих условиях приходится искать альтернативное решение, способное обеспечить достойную конкуренцию способу спутниковой навигации. В качестве такого альтернативного конкурентоспособного решения в настоящее время считается интегрированный способ инерциально-спутниковой навигации, в котором объединены два способа: способ спутниковой навигации и способ инерциальной навигации. При этом за счет интеграции двух способов навигации в одном способе обеспечивается взаимное подавление недостатков каждого отдельного способа и усиление их достоинств.

Известен способ определения параметров навигации (патент RU №2338160 от 10.11.2008 г.), в котором для достижения высоких показателей точностей навигации осуществляют комплексирование сигналов спутниковой и инерциальной навигационных систем. Путем сравнения показаний этих систем определяют скорректированные параметры навигации и величины ошибок значений параметров, вырабатываемых инерциальной навигационной системой. Затем осуществляют передачу вычисленных по эти ошибкам величин поправок в инерциальную навигационную систему для коррекции вырабатываемых ею в последующие моменты времени параметров навигации.

Недостатки интегрированного способа инерциально-спутниковой навигации заключаются в том, что этим способом не обеспечивается полная автономность решения задачи персональной навигации. Кроме того, интегрированные персональные навигаторы, работающие по способу комплексной обработки информации, отличаются относительной сложностью, ненадежностью, дороговизной и необходимостью реализации алгоритмов вычисления навигационных невязок (алгоритмов RAJM - технологий).

Известны также способы навигации по аномальным геофизическим полям, основанные на обзоре этих полей и последующей обработке полученной при обзоре многомерной информации с использованием алгоритмов поиска экстремумов, базирующихся на корреляционно-экстремальных принципах вычисления корреляционных функций и определения их экстремумов (И.Н.Белоглазов, Г.И.Джанжгава, Г.П.Чигин. Основы навигации по геофизическим полям. - М.: Наука, 1985. - с.5-19). Эти способы относятся к типу обзорно-сравнительных способов (сравнение реализации наблюдения с эталоном-шаблоном), они удовлетворяют условиям автономности, высокой информативности и точности. Однако они сравнительно ненадежны и сложны, требуют реализации достаточно сложных алгоритмов хранения первичной информации (в виде шаблонов - цифровых карт аномальных геофизических полей) и обработки текущей информации (алгоритмов поиска экстремумов, сравнения, рекурсии). Кроме того, эти способы практически непригодны для целей персональной навигации из-за невозможности реализации обзора аномальных геофизических полей, формирования текущей информации и построения соответствующих коореляционных функций при наблюдении за этими полями в одной точке (точке нахождения наблюдателя с навигатором на поверхности Земли).

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ автономной инерциальной безынтегральной начальной выставки навигационных систем («Гироскопия и навигация», №2, 2003, с.65-78), принятый за прототип, заключающийся в том, что на основе инерциальной информации о векторе напряженности поля тяжести g ¯ Земли и векторе угловой скорости суточного вращения Ω ¯ планеты, получаемой в режиме остановки основания (в режиме ZUPT) в проекциях на оси связанной (приборной) системы координат XYZ, с использованием алгоритмов инерциальной безынтегральной выставки (алгоритмов гиро-горизонт-широт-компасирования) определяются в любой произвольной точке на поверхности Земли А (φ, λ, r) географическая широта (φ) и углы ориентации основания (ψ; ϑ; γ).

В настоящее время алгоритм гиро-горизонт-широт-компасирования используется на практике только для решения задачи начальной выставки инерциальных навигационных систем и не используется для решения автономной навигации.

Недостаток этого способа (прототипа) заключается в том, что он не дает возможности решать задачу автономной навигации в полном объеме (не позволяет определять две другие географические координаты: долготу (λ) и радиус-вектор (r), что сужает область применения этого способа для определения географических координат объекта.

Задача настоящего изобретения заключается в разработке комплексного инерциально-магнитометрического способа персональной автономной навигации, обеспечивающего полное определение географических координат местоположения наблюдателя (φ, λ, r) в реальном масштабе времени на основе расширения информации о параметрах геофизических полей (поля тяжести Земли - g ¯ ; поля векторов угловых скоростей вращения Земли - Ω ¯ ; нормального геомагнитного поля - T ¯ ) коррекции и обработки полученной многомерной информации по комплексным безынтегральным алгоритмам персональной автономной геофизической навигации, что обеспечивает автономность определения географических координат объекта, достоверность и полноту получения параметров навигации для объекта и отсутствие накапливающихся погрешностей измерений и вычислений навигационных параметров объекта при пройденном пути в реальном масштабе времени.

Поставленная задача достигается путем получения в режиме остановки основания объекта по двум каналам инерциальных измерений комплексной информации о параметрах геофизических полей - напряженности g ¯ поля тяжести Земли и угловой скорости Ω ¯ суточного вращения планеты и вычисления на основании полученной инерциальной информации по алгоритмам аналитического гиро-горизонт-широт-компасирования географической широты φ и параметров ориентации основания объекта: курса ψ, тангажа ϑ, крена γ; новым является то, что в дополнение к двум каналам инерциальных измерений организуют третий канал путем проведения операции идентификации магнитных свойств основания объекта, измерения вектора напряженности T ¯ магнитного поля Земли, его коррекции и сравнения оценок векторов напряженностей МПЗ T ¯ g и T ¯ g H , вычисленных для контрольной А и базовой A0 точек маршрута, и определение по алгоритмам дифференциальной геомагнитной навигации оценок вариаций ( Δ r ¯ ) и координат ( r ¯ ) текущих контрольных точек маршрута и дополнительных навигационных параметров - географической долготы λ и радиуса - вектора r.

Согласно предлагаемому решению на основе расширения, коррекции и использования комплексной (инерциальной ( g ¯ ; Ω ¯ ) и магнитометрической ( T ¯ )) информации применительно к области персональной автономной геофизической навигации обеспечивается возможность не только вычисления географической широты (φ) гравиметрическим и тахометрическим методами, но и определения географической долготы (λ) и географического радиуса - вектора (r) (магнитометрическим методом) в реальном масштабе времени.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами. На Фиг.1 представлена схема способа персональной автономной геофизической навигации. На Фиг.2 представлена схема, иллюстрирующая последовательность реализации алгоритмов персональной автономной геофизической навигации при прохождении пешеходом маршрута. На Фиг.3 представлена схема формирования маршрута пешехода (или транспортного средства) с использованием персонального геофизического навигатора, работающего по алгоритмам персональной автономной геофизической навигации.

Способ автономной персональной геофизической навигации заключается в следующем.

1. В режиме остановки основания объекта в контрольных точках маршрута определяют комплексную информацию о параметрах геофизических полей - напряженности g ¯ поля тяжести Земли и угловой скорости Ω ¯ суточного вращения Земли:

1) гравиметрическую информацию (ГМ - информацию, получаемую с использованием трехкомпонентного блока гравиметров-акселерометров ( α ¯ = [ a x a y a z ] T ) ;

2) тахометрическую информацию (ТМ-информацию), получаемую с помощью трехкомпонентного блока гиротахометров (например, прецизионных волоконно-оптических гироскопов - ВОГ)

( Ω ¯ = [ Ω x Ω y Ω z ] T ) .

1. По алгоритмам гиро-горизонт-широт-компасирования вычисляют географическую широту φ и параметры ориентации основания объекта - курс ψ, тангаж ϑ, крен γ.

3. Выполняют операцию идентификации магнитных свойств основания объекта.

4. Далее получают и используют расширенную геофизическую информацию - магнитометрическую информацию (ММ-информацию), получаемую с помощью трехкомпонентного блока навигационных магнитометров (например, прецизионных магнитометров - феррозондов) ( T ¯ = [ T x T y T z ] T ) .

5. Осуществляют коррекцию полученного вектора напряженности T ¯ и сравнение оценок векторов напряженностей МПЗ T ¯ g и T ¯ g H , вычисленных для контрольной А и базовой A0 точек маршрута.

6. Вычисляют по алгоритмам дифференциальной геомагнитной навигации оценки вариаций ( Δ r ¯ ) и координат ( r ¯ ) текущих контрольных точек маршрута и дополнительные параметры навигации - географическую долготу λ и радиус - вектор r.

Данную комплексную геофизическую информацию получают, накапливают и обрабатывают (Фиг.1, 2) дискретно в режиме остановок в контрольных точках маршрута (Фиг.3). Полученную комплексную геофизическую информацию обрабатывают по трем каналам измерений: гравиметрическому ( g ¯ ), тахометрическому ( Ω ¯ ) и магнитометрическому ( T ¯ ). В канале гравиметрических измерений реализуют алгоритм аналитического горизонтирования основания навигатора, тахометрический канал работает по алгоритму аналитического гиро-горизонт-широт-компасирования, а в магнитометрическом канале реализуют алгоритм дифференциальной геомагнитной навигации. В результате такой комплексной обработки информации по алгоритмам персональной автономной геофизической навигации в совокупности по всем трем каналам измерений вычисляют координаты текущего местоположения объекта r ¯ (φ; λ; r).

С помощью алгоритма работы канала гравиметрических измерений ( g ¯ ) обеспечивают определение углов крена γi и тангажа ϑi корпуса навигатора в каждом i-м сеансе измерений в режиме остановки основания объекта:

sin ϑ i = a x i g ; cos ϑ i = a y i 2 + a z i 2 g sin γ i = a z i a y i 2 + a z i 2 ; cos γ i = a y i a y i 2 + a z i 2 } ( i = 1, n ¯ ) ( 1 )

где αxi; αyi; αzi - показания соответствующих акселерометров в i-м сеансе измерений

( i = 1, n ¯ ) ;

g - напряженность поля тяжести Земли в точке местоположения наблюдателя.

Причем

g = α x i 2 + α y i 2 + α z i 2 ( i = 1, n ¯ ) ( 2 )

Для упрощения решения задачи измерений по гравиметрическому каналу измерений горизонтирование корпуса объекта может быть выполнено не алгоритмически с использованием формул (1)-(2), а физически (с обеспечением условия механического горизонтирования ϑ=γ=0) с использованием пузырьковых микроуровней, встроенных в корпус навигатора.

На основе алгоритма работы канала тахометрических измерений ( Ω ¯ ) обеспечивают определение углов курса ψi корпуса объекта и географической широты φ месторасположения объекта в каждом i-м сеансе измерений в режиме остановки основания объекта:

sin ϕ = Ω x sin ϑ + ( Ω y cos γ Ω z sin γ ) cos ϑ Ω cos ψ = Ω sin ϕ cos ϑ Ω y cos γ + Ω z sin γ Ω cos ϕ sin ϑ cos ψ = Ω x Ω sin ϕ sin ϑ Ω cos ϕ cos ϑ ( 3 )

При этом принимают Ω=2π/Тзз - звездные сутки, Tз=23 ч 56 мин 4,091 с=86164,091 с).

Ω = 2 π T з = 7,2921158 10 5 с 1 = 15,041 г р а д ч = 15,041069 у г л . с е к / с ( 4 )

Из анализа выражений (1)-(4) видно, что блок гравиметров (акселерометров) с вычислителем выполняет функцию аналитического горизонта, а блок гироскопов (тахометров) с вычислителем выполняет функции аналитического гиро-широт-компаса. Роль долготно-высотного измерителя (измерителя долготы λ и радиуса-вектора r) выполняет в предлагаемом способе магнитометрический канал измерений, который организуют путем определения вектора напряженности T ¯ и его коррекции при предварительном определении (идентификации) магнитных свойств основания объекта.

В отличие от каналов гравиметрических и тахометрических измерений канал магнитометрических измерений является более информативным, но вместе с тем и менее помехозащищенным.

Показания блока магнитометров с учетом параметров нормального МПЗ и магнитных свойств основания объекта описываются уравнением Пуассона в векторно-матричной форме:

T ¯ = ( S + E ) A y A ϑ A ψ T ¯ g + T ¯ п , ( 5 )

где T ¯ - вектор показаний блока магнитометров в приборной (связанной) системе координат XYZ,

T ¯ g - вектор напряженности геомагнитного поля в осях нормальной земной системы координат XgYgZg (ГОСТ 20058-80),

T ¯ п - вектор постоянной составляющей магнитного поля объекта (МПО) и навигатора в приборной системе координат XYZ,

S - матрица коэффициентов индуктивной составляющей МПО,

Е - единичная матрица (3×3).

Решение векторно-матричного уравнения (5) модно представить в следующем виде:

T ¯ g = A ψ T A ϑ T A γ T ( S + E ) 1 ( T ¯ T ¯ п ) . ( 6 )

Или в развернутой форме:

[ T ^ x g T ^ y g T ^ z g ] = A ψ T A ϑ T A γ T [ a + 1 b c d e + 1 f g h k + 1 ] 1 [ T x P T y Q T z R ] . ( 7 )

где T ^ x g ; T ^ y g ; T ^ z g - оценки параметров нормального МПЗ в проекциях на оси системы координат XgYgZg;

Тх; Ty; Tz - показания соответствующих магнитометров в проекциях на оси XYZ;

A ψ T ; A ϑ T ; A γ T - транспонированные матрицы ориентации корпуса навигатора (по курсу ψ, тангажу ϑ и крену γ).

Выражения (6) или (7) представляют собой алгоритм определения вектора напряженности нормального МПЗ T ¯ g , вычисленного по показаниям блока магнитометров T ¯ = [ T x T y T z ] T . При этом информацию об углах ориентации корпуса объекта (ϑ, γ, ψ) получают в режиме остановки основания объекта по каналам гравиметрических и тахометрических измерений в соответствии с алгоритмами гиро-горизонт-широт-компасирования (1)-(4).

Информацию о магнитных свойствах основания объекта (информацию о матрице S и векторе T ¯ П ) получают, воспользовавшись методикой, технологией и алгоритмами идентификации МПО (изложенными в патенте РФ №1633930, опубл. 20.01.1996 г.). Если же объект или навигатор не обладают собственным магнитным полем (МПО), то P=Q=R=S=0.

С другой стороны, в соответствии с теорией геомагнитного потенциала выражения для компонент вектора T ¯ g представляют в виде разложения его в сферический ряд Гаусса:

T ^ x g H = n = 1 ( R r ) n + 2 m = 0 n ( g n m cos m λ + h n m sin m λ ) P n m

T ^ y g H = n = 1 ( n + 1 ) ( R r ) n + 2 m = 0 n ( g n m cos m λ + h n m sin m λ ) P n m ( sin ϕ ) ( 8 )

T ^ z g H = n = 1 ( R r ) n + 2 m = 0 n m ( g n m sin m λ h n m cos m λ ) P n m ( sin ϕ ) cos ϕ

где T ^ x g H ; T ^ y g H ; T ^ z g H - оценки проекций вектора напряженности нормального МПЗ на оси XgYgZg;

R - средний радиус Земли (R=6371110 м),

r - модуль радиуса вектора r ¯ (φ, λ, r),

P n m ( sin ϕ ) - присоединенные функции Лежандра n-й степени порядка m (зависят от географической широты φ),

P n m - широтный градиент первого порядка n-й степени m-го порядка присоединенной функции Лежандра P n m ( sin ϕ ) (m≥0, n = 1, m ¯ ),

g n m ; h n m - коэффициенты гармонического ряда разложения (коэффициенты Гаусса-Шмидта).

Оценки T ^ x g H , T ^ y g H , T ^ z g H вычисленные по формулам (8), отличаются от оценок T ^ x g ; T ^ y g ; T ^ z g , вычисленных по показаниям блока магнитометров по формулам (6) или (7), на величины разностей, не превышающих погрешностей измерений и вычислений. Практически эти оценки совпадают. Численные значения коэффициентов Гаусса-Шмидта представляются геофизической службой глобальных наблюдений за МПЗ на каждый пятилетний период (эпоху) в соответствии с принятой моделью JGRF Международного геомагнитного поля World Magnetic Model for 2010-2015-WMM-2010 (сайт сети Internet http://www.ngdc.noaa.gov. режим доступа свободный), широко используемый в геофизике. Размерность модели WMM-2010 (n-й степени порядка m, m = 1, n ¯ , n = 0, ¯ ) выбирают в зависимости от требований к точности воспроизведения геомагнитного поля в навигаторе.

Уравнения (8) задают в общем и в явном виде зависимости параметров МПЗ ( T x g H ; T y g H ; T z g H ) от навигационных параметров - координат местоположения объекта (φ, λ, r). Однако эти уравнения не приспособлены для целей навигации в связи с тем, что эти зависимости существенно нелинейные, не позволяющие выразить в общем и явном виде обратные зависимости навигационных координат (φ, λ, r) от параметров наблюдения за геомагнитным полем. Для преодоления указанного недостатка используют дифференциальный подход, основанный на методе линеаризации (методе Ньютона). Тогда вместо выражений (8) можно написать линеаризованные функции:

T ^ g = [ T ^ x g H T ^ y g H T ^ z g H ] = [ T x g 0 T y g 0 T z g 0 ] + [ Δ T ^ x g H Δ T ^ y g H Δ T ^ z g H ] = [ T x g 0 T y g 0 T z g 0 ] + [ d 11 d 12 d 13 d 21 d 22 d 23 d 31 d 32 d 33 ] [ Δ ϕ Δ λ Δ r ] ( 9 )

или

T ¯ g = T ¯ g 0 + Δ T ¯ g = T ¯ g 0 + D Δ r ¯ , ( 1 0 )

где Δ T ^ x g H , Δ T ^ y g H , Δ T ^ z g H - оценки вариаций вектора T ¯ g H МПЗ, обусловленные изменением сферических координат на величины вариаций Δφ, Δλ, Δr; относительно базовой точки A00; λ0; r0);

dij - коэффициенты линеаризации функций (8), равные производным от функций (8) по соответствующим вариациям навигационных параметров;

Txg0, Tyg0, Tzg0 - проекции вектора T ¯ g 0 МПЗ на оси XgYgZg для базовой точки A00; λ0; r0) с известными координатами φ0; λ0; r0.

Информацию о базовых точках A00; λ0; r0) и точных значениях компонент МПЗ в этих точках (Txg0; Tyg0; Tzg0), соответствующих координатам (φ0; λ0; r0) этих базовых точек, получают на основе использования точной и упрощенной модели МПЗ. Точная версия модели геомагнитного поля соответствует Международной модели JGRF в виде соотношений (8). При упрощенном описании МПЗ может быть принята версия модели геомагнитного поля в виде магнитного диполя.

Используя операцию обращения векторно-матричного уравнения (9) и (10), получают:

[ Δ ϕ ^ Δ λ ^ Δ r ^ ] = D 1 [ Δ T ^ x g Δ T ^ y g Δ T ^ z g ] = [ F 11 F 12 F 13 F 21 F 22 F 23 F 31 F 32 F 33 ] [ T ^ x g T ^ x g 0 H T ^ y g T ^ y g 0 H T ^ z g T ^ z g 0 H ] , ( 11 )

где Δ ϕ ¯ ; Δ λ ¯ ; Δ r ¯ - оценки вариаций навигационных параметров, определяющие взаимное положение текущей точки на маршруте А (φ, λ, r) относительно базовой точки A00; λ0; r0);

D-1 - обратная матрица линеаризации (матрица функций чувствительностей F=D-1);

Fij (i, j = 1,3 ¯ ) - функции чувствительностей навигационных координат к вариациям параметров МПЗ.

Тогда оценка вектора r ¯ (φ, λ, r), характеризующего положение произвольной текущей точки местоположения навигатора на маршруте в сферической системе координат, будет равна:

r ¯ = [ ϕ ^ λ ^ r ^ ] = [ ϕ 0 λ 0 r 0 ] + [ Δ ϕ ^ Δ λ ^ Δ r ^ ] . ( 12 )

Выражения (11) и (12) совместно с формулами (7) и (8) определяют алгоритм работы магнитометрического канала измерений - алгоритм дифференциальной геомагнитной навигации.

Реализация предлагаемого способа персональной автономной геофизической навигации на практике связана с проведением сеансов измерений в режиме остановки основания объекта в контрольных точках маршрута параметров векторов g ¯ ; Ω ¯ ; T ¯ и сеансов последующей обработки полученной геомагнито-инерциальной информации по алгоритмам А1-А2-А3 (Фиг.1) в контрольных точках маршрута (Фиг.3). Для каждой реализации маршрута выделяются четыре группы характерных точек:

A0 - базовая точка маршрута - точка в районе маршрута, для которой в соответствии с моделью нормального МПЗ в виде JGRF установлены точные значения навигационных параметров r ¯ 0 0; λ0; r0) и соответствующих параметров геомагнитного поля T ¯ g 0 ( T x g 0 H ; T y g 0 H ; T z g 0 H );

А - начальная точка маршрута;

В, С, D, Е, F, G и т.д. - промежуточные точки маршрута;

К - конечная точка маршрута.

Совокупность начальной (А), промежуточных и конечной (К) точек маршрута образует группу контрольных точек маршрута.

Способ персональной автономной геофизической навигации на практике реализуют в виде выполнения последовательной серии операций получения магнитно-инерциальной информации на основе измерений параметров геофизических векторов g ¯ ; Ω ¯ ; T ¯ , последующей серии операций коррекции вектора T ¯ и обработки полученной комплексной информации по алгоритмам геофизической навигации (Фиг.1, 2).

Алгоритм гиро-горизонт-широт-компасирования (А1) включает в свой состав два алгоритма:

А 1.1 - алгоритм аналитического горизонтирования навигатора (ϑ; γ) по формулам (1);

А1.2 - алгоритм аналитического гиро-широт-компасирования (φ, ψ) по формулам (2).

Алгоритм определения оценок параметров геомагнитного поля (А2) также состоит из двух алгоритмов:

А2.1 - алгоритма определения оценок вектора напряженности T ¯ g нормального МПЗ, выполняемого по формулам (6) или (7);

А2.2 - алгоритма определения оценок вариаций напряженности Δ T ¯ g нормального МПЗ, выполняемого по формулам (9).

Алгоритм дифференциальной геомагнитной навигации (A3) включает в свой состав также два алгоритма:

А3.1 - алгоритм вычисления оценок вариаций географических координат Δ r ¯ ( Δ ϕ ^ ; Δ λ ^ ; Δ r ^ ), при оценке положения текущей контрольной точки маршрута относительно базовой точки A0, выполняемый в соответствии с формулами (11);

A3.2 - алгоритм вычисления оценок географических координат текущей контрольной точки маршрута, выполняемый по формулам (12). В начальной точке А маршрута (Фиг.3) до выполнения основных операций вычисления по рабочим алгоритмам геофизической навигации А1-А2-А3 предварительно выполняют вспомогательные (подготовительные) вычисления по сервисным алгоритмам:

- по алгоритму идентификации магнитного поля объекта, описанному в патенте РФ №1633930 (опубл. 20.01.1996 г.), с целью определения магнитных свойств основания (S; T ¯ П ),

- по алгоритму определения географических координат, базовой точки A0 r ¯ 0 0; λ0; r0) и идентификации нормального МПЗ в базовой точке в соответствии с моделью геомагнитного поля в виде JGRF, заданной формулами (8),

- по алгоритму вычисления элементов матрицы D линеаризации выражений (8), получаемых в виде производных от функций (8) по соответствующим сферическим географическим координатам φ; λ и r;

- по алгоритму вычисления элементов матрицы F функций чувствительностей Fij (i, j = 1,3 ¯ ) путем обращения матрицы линеаризации D (F=D-1).

Информацию, полученную в начальной точке маршрута (в точке А) на основе предварительно выполненных вспомогательных вычислений по сервисным алгоритмам ( T ¯ П ; S; T ¯ g H ; F и r ¯ 0 ), в дальнейшем используют при основных вычислениях по рабочим алгоритмам А1-А2-А3, выполняемых дискретно в контрольных точках маршрута (Фиг.2, 3). Положения всех контрольных точек маршрута определяют на основе вычислений по алгоритмам персональной автономной геофизической навигации относительно базовой точки A0 (для которой географические координаты (φ0; λ0; r0) известны точно) с помощью вариаций векторов r ¯ (Δφ; Δλ; Δr).

Таким образом, параметры ( g ¯ ; Ω ¯ ; T ¯ ) геофизических полей, контролируемые в контрольных точках маршрута, выступают в предлагаемом способе навигации в качестве неподвижных ориентиров на местности для решения задачи автономной геофизической навигации. Чем чаще будут проводиться сеансы геофизической обсервации дискретных точек местоположения навигатора, тем точнее будет приближена расчетная трасса (трасса - 1; трасса - 2 и т.д.), определенная по алгоритмам персональной автономной геофизической навигации, к реальному маршруту. Весь маршрут, по которому проходит пешеход или перемещается транспортное средство, разбивают на участки (линейные отрезки), границы которых определяются соответствующими контрольными точками.

Современные бортовые магнитометрические, тахометрические и гравиметрические средства измерений позволяют фиксировать параметры векторов T ¯ , Ω ¯ и g ¯ с погрешностями, не превышающими следующих величин:

ΔT≤5 нТл;

ΔTxg≤20 нТл;

ΔTyg≤40 нТл;

ΔTzg≤50 нТл;

ΔΩ≤0,01 град/час:

Δg≤10-6 g.

Численный анализ по разработанным алгоритмам автономной персональной геофизической навигации с учетом достижимой точности работы бортовых средств измерений показывает, что максимально достигаемые величины погрешностей позиционирования не превышают следующих величин:

Δφmax≤±0,25'';

Δλmax≤±0,1'';

Δrmax≤±170 м.

Результаты численной оценки предельно достижимых погрешностей и результаты математического моделирования работы персонального навигатора доказывают практическую приемлемость разработанных алгоритмов персональной автономной геофизической навигации.

Пример практической реализации способа персональной автономной геофизической навигации заключается в создании прибора - персонального автономного навигатора для индивидуальной навигации в геологии, военном и автодорожном деле, туризме и альпинизме, рыболовстве и охоте, спортивном отдыхе на природе.

При использовании персонального автономного навигатора будет обеспечена автономность наиболее полного и достоверного определения навигационных параметров объекта, при этом отсутствуют погрешности измерений, пропорциональных времени (tn) и пройденному пути, в реальном масштабе времени.

Способ персональной автономной навигации, заключающийся в получении в режиме остановки основания объекта по двум каналам инерциальных измерений комплексной информации о параметрах геофизических полей - напряженности поля тяжести Земли и угловой скорости суточного вращения планеты и вычисления на основании полученной инерциальной информации по алгоритмам аналитического гиро-горизонт-широт-компасирования географической широты φ и параметров ориентации основания объекта: курса ψ, тангажа ϑ, крена γ; отличающийся тем, что в дополнение к двум каналам инерциальных измерений организуют третий канал путем проведения операции идентификации магнитных свойств основания объекта, измерения вектора напряженности магнитного поля Земли, его коррекции и сравнения оценок векторов напряженностей МПЗ и , вычисленных для контрольной А и базовой A0 точек маршрута, и определение по алгоритмам дифференциальной геомагнитной навигации оценок вариаций и координат текущих контрольных точек маршрута и дополнительных навигационных параметров - географической долготы λ и радиуса - вектора r.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к системам привязки местоположения. Технический результат заключается в повышении точности кодирования местоположения.

Изобретение относится к области навигации и может быть использовано для определения местоположения и управления движением автономных необитаемых подводных аппаратов с инерциальной навигационной системой и средствами технического зрения.

Изобретение относится к военной технике, а именно к способам функционирования мобильных комплексов навигации и топопривязки в условиях взаимодействия в автоматизированной системе управления войсками (АСУВ), и может быть использовано для решения задач топогеодезической подготовки боевых действий Сухопутных войск.

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к навигации летательных аппаратов (ЛА), и может быть использовано при осуществлении навигации ЛА, включая посадку на взлетно-посадочную полосу (ВПП).

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах спутниковой навигации подвижных объектов. Технический результат - расширение функциональных возможностей.

Изобретение относится к области навигации воздушного судна (ВС) и может быть использовано для коррекции навигационных систем BC по скорости, координатам и курсу. Технический результат - повышение точности коррекции навигационной системы ВС по курсу, координатам и скорости.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к технике коррекции позиционных и угловых относительных уходов навигационных систем (ОУНС) выносных подвижных носителей (ВН), повышения точности определения координат ВН, а также точности координат объектов, обнаруженных измерительными средствами (ИС) ВН.

Изобретение относится к средствам для обеспечения жизнедеятельности инвалидов по зрению, а именно предназначено для получения информации и облегчения ориентации незрячих людей в пространстве.

Изобретение относится к области комплексного контроля инерциальных навигационных систем управления подвижными объектами и, в частности, к средствам аппаратурно-безызбыточного контроля систем ориентации и навигации беспилотных и дистанционно пилотируемых летательных аппаратов, минимального веса, габаритов, энергопотребления, сложности и стоимости.

Изобретение относится к области картографии и может быть использовано в качестве информационной базы при управлении движением различных транспортных средств и пеших групп, использовании автоматизированной системы управления войсками, планировании и проведении полевых исследований и туристических маршрутов.

Изобретение относится к навигационным системам. Технический результат заключается в повышении защиты обновляемых картографических данных. Система содержит навигационный блок, работающий с использованием картографических данных, и носитель записи, подсоединяемый к и отсоединяемый от навигационного блока, в которой носитель записи имеет перезаписываемую область данных, в которой записываются картографические данные, и неперезаписываемую область управления, в которой записывается идентификационная информация носителя. Информация права обновления включает в себя информацию, относящуюся к праву обновления картографических данных, записанных на носителе записи, и необходимую для обновления картографических данных, записывается в области данных. Информация права обновления считывается из области данных и удаляется из этой области данных при первом доступе к данным упомянутого носителя записи посредством навигационного блока, и должный срок обновления карты, созданный на основе считанной информации права обновления, записывается в память навигационного блока вместе с идентификационной информацией упомянутого носителя, считанной из области управления. 6 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может использоваться для определения планово-высотного положения подземного магистрального трубопровода. Способ включает пропуск внутритрубного инспектирующего прибора с навигационной системой внутри трубопровода, регистрацию и запись параметров движения, вычисление координат оси трубопровода в наземном пункте обработки. На трассе стационарно размещают устройства для определения планово-высотного положения, выполняют их геодезическую привязку с помощью спутниковых систем GPS/ГЛОНАСС базовыми и подвижной станциями относительно реперов. На устройствах для определения планово-высотного положения устанавливают блоки связи с внутритрубным инспектирующим прибором, вводят в них координаты геодезической привязки, передают блоками связи корректирующие сигналы внутритрубному инспектирующему прибору. Затем накопленные данные внутритрубного прибора и геодезические координаты деформационных марок устройств для определения планово-высотного положения передают в наземный пункт обработки. Технический результат: повышение точности определения координат оси магистрального подземного трубопровода. 4 ил.

Изобретение относится к области навигации летательных аппаратов (ЛА) с использованием комплексного способа навигации, функционально объединяющего инерциальный способ навигации и спутниковый способ навигации, и может быть использовано при осуществлении навигации ЛА, в том числе навигации высокодинамичных ЛА в сложных навигационных условиях, характеризующихся повышенным уровнем изменчивости состава рабочего созвездия навигационных спутников. Способ состоит в том, что между входной и выходной обработками данных инерциальных датчиков и спутникового приемника с использованием для комплексной обработки фильтра Калмана производят промежуточную обработку, учитывающую ориентацию ЛА в пространстве. Она включает: формирование данных рабочего созвездия на основе уточненного положения ЛА и информации об ориентации ЛА, альманахе спутников, диаграмме направленности антенны спутникового приемника, а также формирование корреляционной матрицы ошибок измерений спутникового приемника на основе данных рабочего созвездия спутников. Предложен вариант способа, в котором в промежуточной обработке проводят выбор рабочего созвездия спутников, формирование векторов направления на спутники, определяют весовые коэффициенты спутников, сопоставляя направления на спутники и диаграмму направленности антенны спутникового приемника, и формируют корреляционную матрицу ошибок спутникового способа с учетом весовых коэффициентов и отношений сигнал/шум для спутников рабочего созвездия. Предложен вариант способа с целевым управлением поиском рабочего созвездия спутников. Результатом использования способа является оценивание координат ЛА с большей точностью и непрерывностью. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к авиационной технике, в частности к блокам ориентации. Устройство содержит вращающийся трансформатор, блок датчиков первичной информации, АЦП, вычислительную машину, формирователь внешнего интерфейса, микроконтроллер с АЦП, нуль-орган, узел гальванической развязки, синхронизатор и два канала преобразования, каждый из которых содержит переключатель и последовательно соединенные буфер, подключенный ко входу нуль-органа, инвертор, компаратор, выход которого подключен к микроконтроллеру и входу управления переключателя, выход которого подключен ко входу АЦП, встроенного в микроконтроллер, а входы подключены ко входу и выходу инвертора. При этом вход буфера одного канала подключен к синусной обмотке вращающегося трансформатора. Вход буфера другого канала подключен к косинусной обмотке вращающегося трансформатора. Вход узла гальванической развязки подключен к источнику внешнего опорного напряжения, питающего обмотку возбуждения вращающегося трансформатора, входящего в состав пилотажно-навигационного комплекса. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей блока ориентации интегрированной системы резервных приборов. 1 ил.

Изобретение относится к области приборостроения и может использоваться в системах индикации состояния полета летательного аппарата (ЛА). Технический результат - повышение точности. Для этого сначала устанавливают резервный блок ориентации на приборную панель согласно точкам крепления, затем с помощью коммутирующего устройства выводят на ЖК экран, через технологический кадр в меню, режим «установка резервного блока ориентации», в процессе которого вычислитель автоматически сравнивает значения углов по крену и тангажу, формируемые резервным блоком ориентации со значениями углов основной системы, полученными по внешнему интерфейсу, а их разности вводит в ПЗУ резервного блока ориентации, а при отсутствии информации о значении углов по внешнему интерфейсу резервный блок ориентации устанавливают по креноскопу с минимальными отклонениями от нулевого положения на приборную панель ЛА, расположенного на горизонтальной плоскости, с помощью коммутирующего устройства выводят на ЖК экран, через технологический кадр в меню, режим «автономная выставка», инициируя автономную выставку, в процессе которой углы крена и тангажа, вычисленные резервным блоком ориентации, вводят в ПЗУ и используют впоследствии для вычисления вертикали в процессе работы. 1 ил.

Изобретения относятся к системам навигации в физической среде промышленных транспортных средств и, более конкретно, к улучшенным способам и системам для обработки информации карт для навигации промышленных транспортных средств. Техническим результатом является повышение эффективности формирования маршрута для промышленных транспортных средств. В способе разбиения информации карты для навигации промышленных транспортных средств осуществляют разбиение информации карты, связанной с физической средой, содержащей статические детали, представляющие объекты, которые не изменяются в физической среде, и динамические детали, представляющие объекты, которые изменяются в физической среде, на множество сегментов карты, нахождение сегмента, который соответствует текущему местонахождению транспортного средства, и навигацию промышленного транспортного средства с использованием найденного сегмента карты. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 9 ил.

Изобретение относится к области картографии и может быть использовано в качестве информационной базы при принятии управленческих решений при ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций, использовании автоматизированной системы управления войсками, планировании и проведении полевых исследований и туристических маршрутов. Сущность: выбирают участки неотектонических блоков по карте новейшей блоковой делимости. Группируют выделенные участки в классы, близкие по морфометрическим характеристикам, характеру грунтов и растительному покрову. Калибруют выделенные классы по стандартному типу тактических свойств. Объединяют области с одинаковыми тактическими свойствами. Формируют итоговые карты для каждого вида тактических свойств. Технический результат: увеличение адекватности принимаемых управленческих решений за счет повышения полноты учета информации, снижение времени принятия решений за счет использования необходимой информации в заранее подготовленном визуализированном и обобщенном виде. 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к гироскопии и может быть использовано для улучшения точностных и эксплуатационных характеристик твердотельных волновых гироскопов в составе бескарданных инерциально-навигационных систем. Устройство подвеса блока чувствительных элементов инерциально-навигационной системы на базе твердотельных волновых гироскопов содержит основание, на котором расположены четыре пары направляющих стоек, закрепленных таким образом, что каждые две стойки, закрепленные в основании противоположно друг другу, расположены на одной и той же оси; на направляющие стойки своим внутренним диаметром крепятся резиновые втулки, на наружном диаметре резиновых втулок закреплен блок чувствительных элементов, содержащий три твердотельных волновых гироскопа, герметичный кожух, накрывающий всю конструкцию. 4 ил.

Изобретение относится к области испытаний дистанционно-управляемых устройств, оснащенных системой вооружения и устанавливаемых на шасси наземных транспортных средств. Способ проведения испытаний боевого дистанционно-управляемого модуля заключается в том, что перед контрольными операциями проводят операции по технологической приработке и калибровке. Перед проведением испытаний с системой вооружения проводятся работы по ее приведению к нормальному бою, определяется средняя точка попадания, а при необходимости производится юстировка, затем производится юстировка видеокамер системы технического зрения и тепловизора поворотной платформы. Процесс контроля разделен на шесть блоков контрольных операций, обеспечивающих: проверку работоспособности боевого дистанционно-управляемого модуля при использовании его по назначению, проверку возможности осуществления наблюдения и целеуказания, проверку управляемости изделия и поддержания заданных параметров, проверку блока управления, проверку работы оператора, проверку передачи данных между блоком управления и поворотной платформой, проверку точностных характеристик. Обеспечивается высокая эффективность проведения испытаний боевого дистанционно-управляемого модуля. 8 ил.

Изобретение относится к области морской навигации и может быть использовано, в частности, для определения скорости судна. Предложенный способ определения истинной скорости судна по измерениям длины пробега судна на галсе по фиксированному созвездию космических аппаратов среднеорбитной спутниковой радионавигационной системы заключается в том, что осуществляют прием радиосигналов космических аппаратов, выделение из радиосигналов служебной информации, определение на основе служебной информации составов рабочих созвездий космических аппаратов системы для моментов начала и окончания пробега, измерение радионавигационных параметров сигналов космических аппаратов рабочих созвездий в указанные моменты начала и окончания пробега, преобразование измеренных параметров в координаты места судна на моменты начала и окончания пробега и определение длины пробега как расстояния между точками с полученными координатами, в котором после определения на основе служебной информации составов рабочих созвездий космических аппаратов системы для моментов начала и окончания пробега сравнивают составы этих созвездий, выбирая группу общих для обоих созвездий космических аппаратов и фиксируют выбранную группу в качестве единого рабочего созвездия для всего времени выполнения пробега. При этом для всего времени выполнения пробега одновременно с приемом радиосигналов от космических аппаратов дополнительно определяют и оценивают остаточные погрешности доплеровского радиолага на основном скоростном режиме, вычисляют апостериорные средние квадратические погрешности скорости по лагу, для компенсации крена и дифферента, вычисляют искомые горизонтальные составляющие вектора скорости. Данное изобретение направлено на расширение функциональных возможностей способа определения длины пробега судна на галсе по определениям места при одновременном уменьшении влиянии негативных факторов при определении истинной скорости судна.
Наверх