Способ угловой ориентации объекта по радионавигационным сигналам космических аппаратов



Способ угловой ориентации объекта по радионавигационным сигналам космических аппаратов
Способ угловой ориентации объекта по радионавигационным сигналам космических аппаратов
Способ угловой ориентации объекта по радионавигационным сигналам космических аппаратов

 


Владельцы патента RU 2529649:

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирский федеральный университет" (СФУ) (RU)

Изобретение относится к области спутниковой навигации и предназначено для определения углового положения объекта в пространстве и измерения вектора угловой скорости его вращающейся части (например, вращающегося антенно-мачтового устройства на движущемся объекте). Достигаемый технический результат - определение ориентации, контроля и управления вращающегося объекта, расположенного как на стабилизированной, так и на нестабилизированной в плоскости горизонта платформе, что позволит повысить точность радиолокационной системы, а также уменьшить нагрузку на поворотный механизм за счет коррекции оси вращения. Указанный результат достигается тем, что прием радионавигационных сигналов от n космических аппаратов осуществляют не менее чем двумя разнесенными антеннами антенно-приемного устройства, размещенными непосредственно на вращающейся части объекта, измеряют координаты точек траектории вращения антенн, вычисляют два вектора приращения в 3-х последовательно измеренных точках координат антенн, определяют направление оси вращения по нормальному вектору плоскости вращения и модуль вектора угловой скорости объекта. 1 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к области спутниковой навигации и предназначено для определения углового положения объекта в пространстве и измерения вектора угловой скорости его вращающейся части.

Существующая навигационная аппаратура спутниковой радионавигационной системы ГЛОНАСС/GPS позволяет определить координаты объекта X, Y и Н, некоторые образцы могут также определять пространственное положение объекта (курс, крен, тангаж), но не редко возникает задача непосредственного определения направления оси вращения и текущей угловой скорости вращающейся части объекта (далее вращающийся объект), которую следует решить.

Известен способ определения угловой скорости объекта, включающий жесткое закрепление на объекте трехкоординатного измерителя ускорения и двух двухкоординатных гироскопических датчиков угловой скорости, реализованных на базе динамически настраиваемых гироскопов, при этом первая и вторая измерительные оси первого датчика связаны соответственно с осями Х и Y объекта, вторая измерительная и первая резервная оси второго датчика связаны соответственно с осями Z и Х объекта, определение параметров основной и квадратурной составляющих дрейфов датчиков от ускорения силы тяжести Земли, измерение при произвольном положении объекта величин линейного ускорения во взаимно перпендикулярных осях X, Y, Z объекта, величин угловой скорости в тех же осях, вычисление истинных значений угловой скорости объекта в осях X, Y, Z [1].

Недостатком известного способа является громоздкость оборудования и наличие ошибок в определении угловой скорости объекта от влияния дрейфов гироскопов, от ускорения при реализации его в устройствах, не имеющих стабилизированной в плоскости горизонта и в азимуте платформы, т.е. в бесплатформенных курсовертикалях и в инклинометрах.

Наиболее близким к заявляемому является известный способ угловой ориентации объекта по радионавигационным сигналам космических аппаратов [2]. Этим способом, основанным на приеме сигналов от n космических аппаратов двумя или более антенно-приемными устройствами, по которому выделяют сигнал с частотой Доплера, определяют набег фаз за интервал времени измерения и определяют угловое положение объекта. При круговом или секторном режиме обзора воздушного пространства возникает необходимость измерения текущего азимута, угловой скорости антенны и отклонения оси вращения антенны от вертикали.

К недостаткам известного способа следует отнести невозможность непосредственного измерения вектора угловой скорости вращающегося объекта, что отражается на точности работы радиолокационной системы.

В основу изобретения положена задача определения ориентации, контроля и управления вращающегося объекта, расположенного как на стабилизированной, так и на нестабилизированной в плоскости горизонта платформе (например, контроль вращения и текущей ориентации антенны радиолокационного дальномера, расположенного на морском судне).

Поставленная задача решается тем, что в способе угловой ориентации объекта по радионавигационным сигналам космических аппаратов, по которому радионавигационные сигналы от n космических аппаратов принимают антенно-приемным устройством объекта, по принятым радионавигационным сигналам измеряют координаты объекта, согласно изобретению прием радионавигационных сигналов осуществляют не менее чем двумя разнесенными антеннами антенно-приемного устройства, размещенными непосредственно на вращающейся части объекта, вычисляют два вектора-приращения в 3-х последовательно измеренных точках координат антенн, определяют направление оси вращения по нормальному вектору плоскости вращения и модуль угловой скорости объекта как

| ω | = arcsin ( Δ B j ( k + 1 ) 2 B j ) + arcsin ( Δ B j ( k + 2 ) 2 B j ) Δ t ,

где j=1, 2, …, m - номер антенны;

k - номер точки текущего измерения координат антенны;

Bj - база j-ой антенны;

ΔBj(k+1) - вектор приращения координат j-ой антенны между первой и второй (из 3-х последовательно измеренных) точками текущего измерения;

ΔBj(k+2) - вектор приращения координат j-ой антенны между второй и третьей (из 3-х последовательно измеренных) точками текущего измерения;

Δt - дискретность текущих измерений, с.

Способ угловой ориентации объекта по радионавигационным сигналам космических аппаратов осуществляют следующим образом.

Антенны навигационного антенно-приемного устройства размещают непосредственно на вращающемся объекте. При этом количество антенн и база (расстояние между двумя любыми антеннами) может иметь различное значение и определяется в зависимости от геометрических размеров вращающегося объекта. Рассмотрим заявляемый способ на примере с использованием двух антенн навигационного антенно-приемного устройства (например, однобазовый интерферометр), расположенных на вращающемся объекте так, что одна из антенн размещена на оси вращения объекта, а вторая - на некотором удалении от оси вращения. В качестве измеряемой величины является разность двух последовательно измеренных координат вектора базы (расстояние от антенны, размещенной на оси вращения, до антенны, размещенной на некотором удалении от оси вращения объекта) и вычисление векторов приращений координат вектора базы.

На фиг.1 схематично изображена траектория вращения однобазового интерферометра, одна из антенн которого размещена на оси вращения (т. L), а вторая - на некотором удалении от оси вращения. Здесь B - база однобазового интерферометра (расстояние между антеннами); точки 1, 2, 3, … k - последовательно измеренные координаты антенны, удаленной от оси вращения; ΔB1, ΔB2 - векторы приращения координат антенны, удаленной от оси вращения, соответственно между первой и второй, второй и третьей точками текущих измерений.

На основе измерений фазовых сдвигов сигналов навигационных космических аппаратов (НКА) между двумя антеннами, представляющими собой однобазовый интерферометр, определяют ориентацию вектора базы [3]:

λ i Ф 2 π = Δ R = k x i X + k y i Y + k z i Z ,                             ( 1 )

где λi - длина волны сигнала i-го навигационного космического аппарата (НКА);

Ф - фазовый сдвиг сигналов НКА между антеннами;

ΔR - разность хода сигналов НКА между антеннами;

X, Y, Z -координаты вектора-базы;

kxi,yi,zi - направляющие косинусы векторов-направлений между вращающимся объектом и i-м навигационным космическим аппаратом (НКА).

В начальный момент времени t0 (т.1 на фиг.1) система уравнений (1) при наблюдении n НКА запишется в виде:

{ k x0i x 0 + k y0i y 0 + k z0i z 0 = Ф 0i λ 0i .                                           ( 2 )

К моменту времени t1 (т.2 на фиг.1) направляющие косинусы векторов-направлений на НКА, направляющие косинусы вектора базы, фазовые сдвиги и длина волны навигационных сигналов за счет перемещения НКА и вектора базы примут значения:

kx,y,z1i=kx,y,z0i+Δkx,y,z1i,

x1=x0+Δx1, y1=y0+Δy1, z1=Δz0+z1,

Ф1i0i+ΔФ1i, λ1i0i+Δλ1i.

Систему уравнений (1) для момента времени t1 можно записать в виде:

{ ( k x 0 i + Δ k x 1 i ) ( x 0 + Δ x 1 ) + ( k y 0 i + Δ k y 1 i ) ( y 0 + Δ y 1 ) + + ( k z 0 i + Δ k z 1 i ) ( z 0 + Δ z 1 ) = ( Ф 0 i + Δ Ф 1 i ) ( λ 0 i + Δ λ 1 i ) 2 π .             ( 3 )

Для определения вектора приращения вектора базы (из т.1 в т.2) составим разностную систему уравнений, вычитая из уравнений системы (3) соответствующие уравнения системы (2):

{ ( Δ k x 1 i x 0 + k x 1 i Δ x 1 ) + ( Δ k y 1 i y 0 + k y 1 i Δ y 1 ) + ( Δ k z 1 i z 0 + k z 1 i Δ z 1 ) = λ 1 i Δ Ф i 2 π + Δ λ 1 i Ф 0 i 2 π .     ( 4 )

Приращение разности фаз сигналов НКА имеет две составляющие, которые равны:

λ 1 i Δ Ф i 2 π - за счет изменения расположения НКА и вращения объекта;

Δ λ 1 i Δ Ф 0 i 2 π - за счет изменения длины волны принимаемых радионавигационных сигналов.

Поскольку длина волны принимаемых радионавигационных сигналов изменяется незначительно, то приращением разности фаз за счет изменения длины волны можно пренебречь.

Система уравнений (4) с учетом динамики вращения объекта в общем случае включает шесть неизвестных: три составляющие начальных координат вектора базы в момент времени t0 (т.1 фиг.1) и три составляющие приращений координат вектора базы за время текущих измерений Δt (т.2 фиг.1) Для решения (4) необходимо принять сигналы шести НКА. Посредством фазовых измерений на однобазовый интерферометр можно с высокой точностью определить текущее положение, траекторию движения вектора базы и величину угловой скорости вращающегося объекта.

Поскольку векторы приращения координат вектора базы неколлинеарны и ортогональны оси вращения, то направление нормального вектора плоскости вращения S (направление оси вращения) можно определить через их векторное произведение

S = Δ B 1 × Δ B 2 ,                                    ( 5 )

где ΔB1 - вектор приращения координат вектора базы от т.1 к т.2;

ΔB2 - вектор приращения координат вектора базы от т.2 к т.3.

По определению вектор угловой скорости направлен так, чтобы из его конца вращение тела было видно происходящим против часовой стрелки [5]. Для правильного определения направления вектора оси вращения вектор ΔB1 должен предшествовать по времени вектору ΔB2.

Модуль нормального вектора плоскости вращения S равен:

| S | = | Δ B 1 | | Δ B 2 | sin ϕ 0 .                                ( 6 )

Угол φ0 - среднее значение угла поворота вектора базы (объекта)

ϕ 0 = ϕ 1 + ϕ 2 2 = arcsin ( Δ B 1 2 B ) + arcsin ( Δ B 2 2 B ) ,         ( 7 )

где B - база интерферометра;

φ1 - угол поворота вектора базы из т.1 в т.2;

φ2 - угол поворота вектора базы из т.2 в т.3.

Модуль угловой скорости:

| ω | = φ 0 Δ t = arcsin ( Δ B 1 2 B ) + arcsin ( Δ B 2 2 B ) Δ t ,               ( 8 )

где Δt - дискретность текущих измерений.

Заметим, что для вычисления параметров вращения не требуется предварительная калибровка угломерной системы, которая заключается в привязке координат вектора базы к строительным осям вращающегося объекта. Дискретность последовательно производимых измерений приращения координат вектора базы устанавливается не более того периода, за время которого вектор база поворачивается на 90 градусов. При определении параметров ориентации вращающегося объекта удобно применить динамические методы измерения угловой ориентации [4]. Основным достоинством динамических методов является то, что это беспереборные методы, в которых не требуется устранять фазовую неоднозначность.

Результаты исследования показали, что имеет место пороговая минимальная скорость вращения объекта, при которой невозможно определить изменение координат антенн.

Действительно, направление нормального вектора S плоскости вращения зависит от угла между векторами приращения, входящими в произведение (5). Если же угол между векторами приращения меняет знак, то и вычисленный вектор S плоскости вращения также поменяет знак на противоположный. Для этого достаточно, чтобы погрешность измерения (задаваемая аппаратурой) превысила величину ΔBj(k+1)·sin(ωΔt). Примем эту величину как предельное значение погрешности, и выразив ее через базу Bj и угловую скорость вращения,

Δ B j ( K + 1 ) = B j sin ( ω Δ t / 2 )                                                       ( 9 )

получим

Δ max = Δ B j ( k + 1 ) sin ( ω Δ t ) = B j sin ( ω Δ t / 2 ) sin ( ω Δ t )        ( 10 )

Для примера, приняв базу - 2 м, среднеквадратическое отклонение приращения координат (погрешность измерения) - 5 мм, дискретность измерений - 1 с, получим минимальную угловую скорость 0,5 об/мин. Для уменьшения погрешности измерения целесообразно применение аппаратуры (например, МРК-32), в которой псевдодальность измеряется по фазе несущей частоты НКА, при этом погрешность определения направления оси вращения уменьшается с ростом длины базы и угловой скорости вращающегося объекта.

Таким образом, измерение текущих направления оси вращения и угловой скорости вращающегося объекта с применением спутниковой радионавигационной аппаратуры, расположенной как на стабилизированной, так и на нестабилизированной в плоскости горизонта платформе, позволяет производить оперативный контроль за его вращением с высокой точностью. Контроль же положения антенной системы в процессе работы позволит повысить точность радиолокационной системы, а также уменьшить нагрузку на поворотный механизм за счет коррекции оси вращения.

Источники информации

1. Пат. RU 2079844 Российская Федерация, МПК6 G01P 9/00. Способ определения угловой скорости объекта./ Будкин В.Л., Джанджгава Г.И., Дремин A.M., Мартеев И.П., Панфилов Н.М., Федоров А.В.; заявитель акционерное общество "Раменское приборостроительное конструкторское бюро", - №94018303/28; заявл. 18.05.1994; опубл. 20.05.1997.

2. Пат. RU 2122217 Российская Федерация, МПК6 G01S 5/02. Способ угловой ориентации объекта по сигналам навигационных космических аппаратов./ А.М. Алешечкин, Ю.Л. Фатеев, Чмых М.К.; заявитель ГОУ ВПО «Красноярский государственный технический университет», - №97107921/09; заявл. 15.05.1997; опубл. 20.11.1998.

3. Фатеев, Ю.Л. Определение угловой ориентации на основе глобальных навигационных спутниковых систем. // Радиотехника, №7, 2002. - С.51-57

4. Фатеев Ю.Л. Динамические методы измерения угловой ориентации объектов на основе систем ГЛОНАСС/GPS // Электронный журнал «Исследовано в России», 70, стр.770-780, 2004. URL: http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2004/070.pdf.

5. Яворский Б.М., Детлаф А.А., Лебедев А.К. Справочник по физике для инженеров и студентов ВУЗов - М.: Оникс, 2007. - 1056 с.

Способ угловой ориентации объекта по радионавигационным сигналам космических аппаратов, по которому радионавигационные сигналы от n космических аппаратов принимают антенно-приемным устройством объекта, по принятым радионавигационным сигналам измеряют координаты объекта, отличающийся тем, что прием радионавигационных сигналов осуществляют не менее чем двумя разнесенными и размещенными непосредственно на вращающемся объекте антеннами антенно-приемного устройства, измеряют координаты точек траектории вращения антенн, вычисляют два вектора приращения в 3-х последовательно измеренных точках координат антенн, определяют направление оси вращения по нормальному вектору плоскости вращения и модуль угловой скорости объекта как
| ω | = arcsin ( Δ B j ( k + 1 ) 2 B j ) + arcsin ( Δ B j ( k + 2 ) 2 B j ) Δ t ,
где j=1, 2, …, m - номер антенны;
k - номер точки текущего измерения координат антенны;
Bj - база j-ой антенны;
ΔBj(k+1) - вектор приращения координат j-ой антенны между первой и второй (из 3-х последовательно измеренных) точками текущего измерения;
ΔBj(k+2) - вектор приращения координат j-ой антенны между второй и третьей (из 3-х последовательно измеренных) точками текущего измерения;
Δt - дискретность текущих измерений, с.



 

Похожие патенты:

Предлагаемое устройство относится к контрольно-поисковым средствам, а именно к устройствам обнаружения местоположения людей, оказавшихся под завалами, образовавшимися в результате стихийного (землетрясения, торнадо, цунами и др.) или иного бедствия, и поиска взрывчатых и наркотических веществ, и может быть использовано при техногенных авариях, природных катастрофах, террористических актах и при предотвращении опасных для населения акций.

Изобретение относится к области электромагнитного обнаружения, автоматической проверки безопасности и детектирования контрабанды. Адаптивная система обнаружения в соответствии с настоящим изобретением содержит оптическую или инфракрасную камеру, предназначенную для формирования данных изображения, относящихся к области наблюдения, пассивный датчик, предназначенный для приема электромагнитного излучения, активный датчик, предназначенный для испускания и приема электромагнитного излучения, модуль обработки изображения, выполненный с возможностью детектирования присутствия людей и объектов, отличных от людей, в области наблюдения, на основе полученных данных изображения, и модуль управления.

Изобретение относится к области беспроводной передачи данных. .

Изобретение относится к передаче информации, а именно к способу управления устройствами приема и передачи данных в навигационном приемнике. .

Изобретение относится к спутниковой системе определения местоположения (SPS), предназначено для обнаружения и/или оценки многолучевых сигналов и позволяет повысить точность измерения псевдодальности и координат местоположения приемного устройства.

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к железнодорожным маякам, передающим сигнальные сообщения на коммуникационное устройство, размещенное на борту транспортного средства, и может быть использовано для передачи, в частности, такой сигнальной информации, как максимальная скорость, с учетом нормы "Eurobalise".

Изобретение относится к иерархическому альманаху базовой станции, принимаемому на мобильной станции. .

Изобретение относится к оборудованию, предназначенному для наблюдения за перемещением подвижных объектов и предоставления информации об их местонахождении соответствующим службам.

Изобретение относится к системам отслеживания перемещения объектов в помещениях. Технический результат заключается в повышении точности и уменьшении затрат энергии. Способ определения координат положения подвижного объекта в закрытых помещениях относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использован в системах определения положения координат подвижных объектов-операторов складов, грузов и шахтеров, при котором в помещениях (шахтах, складах), на элементах строительных конструкций закрепляют необходимое количество пассивных радиочастотных идентификаторов, в которые заносят коды координат положения этих радиочастотных идентификаторов (в местной системе координат), на подвижных объектах закрепляют считыватели с кодами подвижных объектов, уменьшают уровень мощности сигнала, излучаемого считывателем, пропорционально кубу удвоенной погрешности определения координат положения подвижного объекта. 4 ил., 1 табл.

Группа изобретений относится к мобильному комплексному радиотехническому оборудованию приводных радиомаркерных пунктов аэродромных посадочных площадок, включающему в себя приводную радиостанцию на основе средневолновой приемопередающей аппаратуры и высокочастотный маркерный радиомаяк. Технический результат состоит в расширении арсенала мобильных наземных приводных комплексов. Для этого в мобильной приводной радиостанции, установленной в закабинном салоне, расположены УКВ приемопередатчик со своей гарнитурой и УКВ антенной, питание приводной радиостанции осуществляют через преобразователь напряжения от внешней сети в районе зоны обслуживания и маркерного радиомаяка непосредственно от этой же внешней сети и возможностью автономного питания приводной радиостанции от поочередно запускаемых двух бензиновых электрических агрегатов и управлением приводной радиостанцией посредством блока управления и контроля, каждый из указанных пультов управления снабжен собственным процессорным формирователем сигналов. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области спутниковой навигации и может быть использовано для определения углового положения объектов в пространстве или на плоскости в условиях воздействия преднамеренных широкополосных помех. Достигаемый технический результат - повышение эффективности работы многоканальной угломерной навигационной аппаратуры в сложной помеховой обстановке. Указанный технический результат достигается тем, что в условиях помеховой обстановки перед измерением фазовых сдвигов определяют вектор поправочного весового коэффициента для каждого из приемных каналов путем их калибровки эталонной пилот-помехой. Сигнал помехи каждого из приемных каналов суммируют с сигналами помех остальных каналов, являющихся для него компенсационными, предварительно умноженными на соответствующий вектор весового коэффициента. При этом каждый вектор весового коэффициента вычисляют на основе рекуррентной оценки обратной корреляционной матрицы помех с учетом векторов поправочных весовых коэффициентов. Далее выделяют радионавигационные сигналы от n навигационных космических аппаратов и восстанавливают их исходные параметры в каждом приемном канале. 2 ил.

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к устройствам обнаружения бытовых предметов при помощи ВЧ-радиоволн. Техническим результатом является обеспечение возможности поиска необходимой метки из множества меток, прикрепленной к объекту поиска. Система содержит блок поиска, 1-N поисковых меток и радиоканал, причем блок поиска содержит кнопочную клавиатуру из 1-N кнопок, микроконтроллер, модулятор, пеленгатор и акустический канал, а поисковая метка содержит демодулятор, активатор с ВЧ-генератором, излучатель и источник питания. Микроконтроллер имеет в своем составе специальное программное обеспечение, в котором записано 1-N кодовых посылок, соответствующих числу поисковых меток, а демодулятор каждой поисковой метки настроен заранее на свою кодовую посылку. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к космической навигации и может быть использовано в системах получения информации о навигационных параметрах космических аппаратов (КА) на геостационарных орбитах (ГСО) относительно геоцентрической системы координат (ГЦСК). Технический результат заключается в высокоточном измерении координат и угловой ориентации осей космических аппаратов геостационарных орбит по сигналам бортовой аппаратуры межспутниковых измерений (БАМИ) навигационных космических аппаратов (НКА) ГЛОНАСС. Указанный результат достигается тем, что в качестве сигналов с частотой Доплера используют сигналы межспутниковых измерений бортовой аппаратуры НКА, а угловое положение объекта (КА) определяют за интервал времени, в течение которого объект находится в области радионавигационного поля сигналов БАМИ не менее чем от четырех НКА. 3 ил., 1 табл.

Изобретение относится к системе и способу определения местоположения в подземных горных разработках. Система содержит блок управления, соединенный с машиной, по меньшей мере, два удаленных друг от друга, связанных с блоком управления приемных модуля и идентификационный модуль, предназначенный для ношения шахтером. Причем блок управления выполнен с возможностью определения положения идентификационного модуля. Блок управления выполнен с возможностью запрашивания полномочий шахтера, носящего идентификационный модуль, и в зависимости от положения идентификационного модуля и полномочий шахтера - блокирования или разрешения осуществления функций машины. Способ определения местоположения шахтера под землей, при котором используют связанный с машиной блок управления, связанный, по меньшей мере, с двумя удаленными друг от друга приемными модулями, и идентификационный модуль, носимый шахтером. Причем с помощью блока управления определяют положение идентификационного модуля, запрашивают полномочие шахтера, носящего идентификационный модуль, и в зависимости от положения идентификационного модуля и полномочий шахтера блокируют или разрешают осуществление функций машины. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 4 ил.
Наверх