Способ бесплатформенной инерциальной навигации на микромеханических чувствительных элементах

Изобретение относится к навигационной технике, а именно к способам бесплатформенной инерционной навигации малогабаритных движущихся объектов. Способ бесплатформенной инерциальной навигации заключается в том, что на борту подвижного объекта устанавливают микромеханические гироскопы и акселерометры, ориентируют их оси чувствительности относительно трех ортогональных его осей, затем гироскопами измеряют проекции вектора угловых скоростей, акселерометрами - проекции вектора действующего ускорения на оси координат объекта, полученные выходные сигналы фильтруют и вычисляют навигационные параметры и параметры ориентации, введена последовательность действий, при этом на борту подвижного объекта устанавливают n тетрад микромеханических гироскопов и n тетрад микромеханических акселерометров, которые располагают осями чувствительности вдоль диагоналей куба одной механической базы, грани которой ориентируют параллельно ортогональным осям объекта, а измеренные выходные сигналы тетрад преобразуют в проекции сигналов, действующих на ортогональную систему координат объекта. Технический результат - снижение погрешностей измерения совокупности примененных в способе микромеханических чувствительных элементов. 1 ил.

 

Изобретение относится к навигационной технике, а именно к способам бесплатформенной инерционной навигации малогабаритных движущихся объектов (например, беспилотных летательных аппаратов), при которых для определения параметров ориентации и навигации объектов используют микромеханические чувствительные элементы (микромеханические акселерометры и гироскопы).

Известен способ бесплатформенной инерциальной навигации малогабаритных объектов, реализованный в устройстве [1] с применением микромеханических акселерометров и гироскопов. Согласно данному способу акселерометры и гироскопы закрепляют по борту подвижного объекта, ориентируют их оси чувствительности параллельно трем ортогональным осям подвижного объекта, измеряют их выходные сигналы, обрабатывают по заданным алгоритмам, в результате чего определяют навигационные параметры (координаты объекта и его скорость), а также параметры ориентации объекта (углы тангажа и рысканья). Недостатком способа является малая точность. Малая точность обусловлена наличием переменных перекрестных связей между чувствительными элементами. Изменение связей происходит при изменении ориентации осей отдельно взятого элемента относительно осей других отдельно установленных микромеханических чувствительных элементов из-за деформации конструкции объекта при движении.

Известен также способ бесплатформенной инерциальной навигации на микромеханических чувствительных элементах, взятый за прототип и реализованный в устройстве [2]. Согласно данному способу, по борту подвижного объекта устанавливают триаду микромеханических акселерометров (три акселерометра в одном корпусе) и триаду микромеханических гироскопов (три гироскопа в одном корпусе). Ориентируют оси триад параллельно трем ортогональным осям подвижного объекта. Измеряют выходные сигналы. Затем производят их обработку по заданным алгоритмам и в результате определяют параметры ориентации и навигации объекта. Недостатками способа-прототипа являются малая точность, малое время работы в заданном диапазоне точности. Указанные недостатки обусловлены особенностью работы микромеханических чувствительных элементов (далее чувствительные элементы), изготавливаемых по технологии микросхем. Особенность заключается в наличии в выходном сигнале чувствительного элемента постоянной составляющей, значение которой изменяется (дрейфует) во времени. Согласно [1, стр. 60 и стр. 114], применение наиболее современных микросхем обеспечивает работу объекта в заданном диапазоне точностей не более одного часа.

Заявленное изобретение решает задачу повышения точности способа бесплатформенной инерциальной навигации на микромеханических чувствительных элементах для малогабаритных подвижных объектов.

Техническим результатом заявленного изобретения является снижение погрешностей измерения совокупности примененных в способе микромеханических чувствительных элементов, что обеспечивает снижение погрешностей определения навигационных параметров и параметров ориентации подвижного объекта и существенное увеличение времени его автономной работы.

Для решения поставленной задачи в способ бесплатформенной инерциальной навигации, заключающийся в том, что на борту подвижного объекта устанавливают микромеханические гироскопы и акселерометры, ориентируют их оси чувствительности относительно трех ортогональных его осей, затем гироскопами измеряют проекции вектора угловых скоростей, акселерометрами - проекции вектора действующего ускорения на оси координат объекта, полученные выходные сигналы фильтруют и вычисляют навигационные параметры, введена последовательность действий, согласно которой на борту подвижного объекта устанавливают n тетрад микромеханических гироскопов и n тетрад микромеханических акселерометров, которые располагают осями чувствительности вдоль диагоналей куба одной механической базы, грани которой ориентируют параллельно ортогональным осям объекта, а измеренные выходные сигналы тетрад преобразуют в проекции сигналов, действующих на ортогональную систему координат объекта.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1, на которой приведена схема взаимного расположения ортогональной системы координат объекта и системы координат осей тетрады.

Как показано на фиг. 1, механическая база объекта выполнена в виде куба с вершинами 1-8. Оси X, Y, Z представляют собой ортогональную систему координат объекта. Встроенная в куб тетрада имеет вершины 1, 2, 3, 4. При этом оси ортогональной системы координат X, Y, Z проходят через центры граней куба, перпендикулярно к их плоскостям, а оси тетрады 1, 2, 3, 4 расположены вдоль диагоналей куба. В куб можно вписать вторую тетраду между вершинами 5, 6, 7, 8 куба. Оси второй тетрады 5, 6, 7, 8 направлены навстречу осям 1, 2, 3, 4 первой тетрады. Угол α между осями тетрады и ортогональными осями составляет 54,7°.

Проекция вектора физической величины (угловой скорости, ускорения), действующей вдоль оси тетрады на ортогональную ось, имеет коэффициент пропорциональности B=cosα=0,578.

При этом значения физических величин, действующих в системе координат тетрады, пересчитываются в их проекции в ортогональной системе координат согласно системе уравнений

На борту объекта устанавливают n тетрад чувствительных элементов. Причем оси чувствительности элементов располагаются вдоль диагоналей куба механической базы объекта. Если n=1, то оси тетрады совпадают с осями куба 1, 2, 3, 4 (фиг. 1). При n=2 оси одной тетрады совпадают с осями куба 1, 2, 3, 4, а другой тетрады - с осями куба 5, 6, 7, 8. При n=4 две тетрады имеют оси вдоль осей куба 1, 2, 3, 4, а две другие тетрады имеют оси вдоль осей куба 5, 6, 7, 8. Далее в процессе движения объекта выходные сигналы чувствительных элементов тетрад с помощью системы уравнений (1) преобразуют в проекции сигналов, действующих вдоль ортогональной системы координат объекта. При n≠1 производят сложение преобразованных сигналов согласно выражениям:

где xi, yi, zi - величины преобразованных сигналов чувствительных элементов одной тетрады;

n - число установленных тетрад.

В уравнениях (1) сигналы чувствительных элементов, оси которых направлены встречно, вычитаются. В результате преобразований получают три ортогональные проекции вектора угловой скорости, три проекции вектора ускорения.

Затем полученные триады сигналов физических величин фильтруют и обрабатывают по заданным алгоритмам, в результате чего определяют навигационные параметры.

По сравнению со способом, взятым за прототип, точность предлагаемого способа повышается. В способе-прототипе используют триады чувствительных элементов, при этом вдоль одной из ортогональных осей работает только один чувствительный элемент и его погрешности напрямую определяют точность навигации. В предлагаемом способе, согласно уравнениям (1), вдоль каждой из ортогональных осей работают все четыре чувствительных элемента. При этом появляется возможность снизить погрешности навигации существенно ниже погрешностей отдельных чувствительных элементов. Точность определения навигационных параметров и параметров ориентации повышается за счет уменьшения случайной и систематической составляющих. Случайная погрешность создает при нулевом входном сигнале на выходе одного чувствительного элемента напряжение случайного шума Uш. При совместной работе k чувствительных элементов случайный шум в суммарном сигнале растет пропорционально k . В результате чего напряжение случайного шума при применении n тетрад в сигналах ортогональных осей составит:

где 4 - число чувствительных элементов тетрад;

n - число установленных тетрад.

При действии физической величины на один чувствительны элемент, на его выходе возникает сигнал UС. В случае применения тетрад выходной сигнал в ортогональных координатах составит:

U=4nBUC.

Поэтому при применении данного способа случайная составляющая сигнала по сравнению с самим сигналом уменьшается в Q раз:

Таким образом, в Q раз падает случайная погрешность измерения.

Кроме того, из-за роста соотношения сигнал-шум при применении данного способа также возрастает в Q раз динамический диапазон измерения физической величины. При этом способ дает возможность уверенно реагировать на меньшие изменения входных физических величин, что по сравнению с прототипом также повышает точность навигации.

Систематические погрешности чувствительного элемента определяются свойствами его амплитудной характеристики: смещение нуля (выходное напряжение при нулевом входном сигнале), температурный коэффициент смещения нуля, нелинейность амплитудной характеристики, крутизна характеристики (отношение выходного напряжения к входному сигналу), температурный коэффициент крутизны. Причем систематические погрешности имеют стабильный характер и имеют знак (+ или -).

Чувствительные элементы могут иметь различные сочетания систематических погрешностей. Но при изготовлении системы из всей массы чувствительных элементов одного типа можно выбрать группы из четырех штук с практически одинаковыми систематическими погрешностями. Из таких групп собирают тетрады чувствительных элементов. При этом из уравнений (1) видно, что в формировании ортогональных сигналов х, y, z принимают участие два сигнала из осей тетрады с положительным знаком, а два с отрицательным. Поэтому при их суммировании с учетом знаков одинаковые систематические погрешности вычитаются. В результате, в сигналах ортогональных осей X, Y, Z систематические погрешности уменьшаются. Степень уменьшения зависит от качества отбора чувствительных элементов.

При использовании n тетрад чувствительных элементов среди отобранных тетрад остатки систематических погрешностей вдоль осей X, Y, Z могут иметь различные сочетания. Но среди отобранных тетрад также отбирают тетрады с практически одинаковыми систематическими погрешностями по абсолютной величине, но с противоположными знаками. При совместном использовании четного количества n тетрад остатки систематических погрешностей будут вычитаться друг из друга. В результате чего систематическая погрешность по сравнению со способом-прототипом уменьшается.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет значительно снизить случайные и систематические погрешности определения параметров ориентации и навигации подвижного объекта, что приведет к повышению времени автономной работы объекта.

Кроме того, предлагаемый способ, по сравнению с прототипом, является более надежным. В способе-прототипе при выходе из строя одного из чувствительных элементов тетрады функционирование тетрады прекращается, и способ не реализуется. В предлагаемом способе выход из строя даже одной тетрады из n не мешает его реализации. При этом фиксируется вышедшая из строя тетрада. Признаком исправной работы тетрады является равенство нулю суммы выходных сигналов четырех чувствительных элементов при любом расположении вектора физической величины, воздействующей на тетраду. При неравенстве суммы сигналов нулю данную тетраду исключают из работы, но продолжают использовать для обработки сигналы оставшихся (n-1) тетрад. При этом погрешность измерения параметров ориентации и навигации возрастает незначительно в n n 1 раз.

В настоящее время на предприятии положительный эффект от внедрения предлагаемого способа проверен авторами опытным путем, при макетировании систем микромеханических акселерометров, состоящих из 4-х и 8-ми тетрад. В результате точность определения суммарного сигнала определяемого выражением (2) для системы из 4-х тетрад была повышена более чем в два раза, для системы, состоящей из 8-ми тетрад, более чем в четыре раза. В настоящее время осуществляются работы по макетированию тетрад на микромеханических гироскопах.

Список литературы

1. Матвеев В.В., Распопов В.Я. Основы построения бесплатформенных инерциальных навигационных систем. // СПб: Государственный научный центр Российской Федерации ОАО «Концерн Центральный научно-исследовательский институт «Электроприбор», 2009, с. 21.

2. Распопов В.Я. и другие. Комплексированные микросистемы ориентации малоразмерных беспилотных летательных аппаратов. // Материалы XVIII Санкт-Петербургской международной конференции по интегрированным навигационным системам. // СПб: Государственный научный центр Российской Федерации ОАО «Концерн Центральный научно-исследовательский институт «Электроприбор», 2011, с. 161.

Способ бесплатформенной инерциальной навигации на микромеханических чувствительных элементах, согласно которому на борту подвижного объекта устанавливают микромеханические гироскопы и акселерометры, ориентируют их оси чувствительности относительно трех ортогональных его осей, затем гироскопами измеряют проекции вектора угловых скоростей, акселерометрами - проекции вектора действующего ускорения на оси координат объекта, полученные выходные сигналы фильтруют и вычисляют навигационные параметры и параметры ориентации, отличающийся тем, что на борту подвижного объекта устанавливают n тетрад микромеханических гироскопов и n тетрад микромеханических акселерометров, которые располагают осями чувствительности вдоль диагоналей куба одной механической базы, грани которой ориентируют параллельно ортогональным осям объекта, а измеренные выходные сигналы тетрад преобразуют в проекции сигналов, действующих на ортогональную систему координат объекта.



 

Похожие патенты:

Предлагаемое техническое решение относится к устройствам для видеоконтроля водных акваторий с обеспечением регистрации нештатных ситуаций, связанных с движением судов по несанкционированным курсам или их нахождением в запретных зонах.

Изобретение относится к области авиационного приборостроения и может быть использовано в бесплатформенных инерциальных системах, в частности в гировертикалях, курсовертикалях и навигационных системах при измерении углов крена и тангажа подвижного объекта.

Изобретение относится к области навигационного приборостроения и может найти применение в системах мультимодальной навигации. Технический результат - расширение функциональных возможностей.

Изобретение относится к навигационной технике и может быть использовано при проектировании инерциальных и интегрированных навигационных систем. Технический результат - повышение надежности.

Изобретение относится к области навигации и может найти применение в системах навигации автономных необитаемых подводных аппаратов (АНПА). Технический результат - снижение трудозатрат при производстве подводных работ с использованием АНПА.

Изобретение относится к области приборостроения и может найти применение в системах навигации и ориентации, в частности для коррекции погрешностей, численных критериев степени наблюдаемости навигационных комплексов (НК) с инерциальной навигационной системой (ИНС).

Изобретение относится к авиационному приборостроению. Предложенный навигационный комплекс предназначен для обеспечения высокоточной навигации на основе комплексной обработки информации (КОИ) систем навигации по искусственным полям Земли (СНИПЗ) и нескольких физических полей Земли (ФПЗ).

Изобретение относится к области определения высоты парашютной системы над поверхностью земли. Способ определения высоты парашютной системы заключается в определении высоты полета самолета и высоты снижения до раскрытия парашюта.

Группа изобретений относится к автономным цифровым интегрированным комплексам бортового электронного оборудования многодвигательных воздушных судов. Бортовая система информационной поддержки содержит модуль динамики взлета, модуль высотно-скоростных и метеорологических параметров, модуль летно-технических характеристик, модуль аэродинамики, модуль тяги силовых установок, модуль базы данных аэродромов и мировую базу данных рельефа подстилающей поверхности EGPWS повышенной точности в 3D формате и минимальных безопасных высот, модуль анализа и принятия решений и другие модули.

Изобретения относятся к области приборостроения, являются средствами навигации, у которых система ориентации интегрирована с гидростатическим блоком наклона (ГБН) и трехосевым компасом, и могут быть использованы.для морских объектов. Единый технический результат группы изобретений - повышение точности определения выходных навигационных параметров бесплатформенной инерциальной системы ориентации (углов ориентации, линейных скоростей и координат местоположения) за счет определения углов наклона между связанной и навигационной системами координат и определения угла азимута. Сущность изобретения-устройства: бесплатформенный навигационный комплекс содержит инерциальную систему ориентации (ИСО) на "грубых" чувствительных элементах, которая подключена к вычислительной платформе и включает расположенные по трем ортогональным осям ИСО три акселерометра и три датчика угловых скоростей.

Предложенное изобретение относится к навигационной технике наземных транспортных средств, летательных аппаратов и судов. Бесплатформенная аппаратура счисления координат содержит блок датчиков проекций абсолютной угловой скорости на оси системы координат транспортного средства (СК ТС), вычислитель проекций относительной угловой скорости на оси СК ТС, вычислитель проекций скорости изменения углов Эйлера Крылова (УЭК) на оси геодезической системы координат (ГСК), вычислитель приращений УЭК и вычислитель текущих значений УЭК, блок датчиков проекций скорости на оси СК ТС, соответствующим образом соединенные между собой. Предложенное изобретение направлено на увеличение точности счисления координат и устранение погрешностей координат, колеблющихся с частотой Шулера, причем одновременно уменьшается объем вычислений. 2 ил.

Изобретение относится к области приборостроения и может найти применение в составе комплексов навигационно-пилотажного оборудования летательных аппаратов (ЛА). Технический результат - расширение функциональных возможностей. Для этого унифицированный навигационный комплекс ЛА содержит взаимосоединенные по цифровым каналам информационного обмена (КИО) комплект навигационно-пилотажных систем (НПС) и бортовую цифровую вычислительную систему (БЦВС), причем комплект НПС включает навигационно-пилотажные системы (НПС) различных физических принципов действия, такие как инерциальные навигационные системы и курсовертикали, системы воздушных сигналов, спутниковые навигационные системы, радиотехнические системы ближней и дальней навигации, доплеровские измерители путевой скорости, радиовысотомеры, системы визуальной коррекции, корреляционно-экстремальные навигационные системы и радиотехнические системы посадки, а БЦВС включает вычислительно-логические функциональные модули (ФМ) ввода-вывода информации, подготовки комплекса, первичной обработки информации, комплексной обработки информации, определения параметров Земли, определения навигационных параметров, расчета параметров ортодромии, преобразования координат, определения управляющих параметров, контроля комплекса, управления режимами работы комплекса, информационного обеспечения принятия решений и формирования выходных параметров, дополнен введенными в состав БЦВС ФМ сканирования и идентификации подключенных к КИО НПС, ФМ базы данных протоколов информационного взаимодействия НПС и ФМ унификации входной информации от НПС. 3 ил.

Изобретение относится к области авиационного приборостроения и может быть использовано в составе комплексов пилотажно-навигационного оборудования летательных аппаратов (ЛА). Технический результат - расширение функциональных возможностей. Для этого использованы соединенные входами-выходами две инерциальные навигационные системы (ИНС1 и ИНС2), корректирующая система (КС), два фильтра комплексной обработки информации ИНС1, ИНС2 и КС, пульта управления и блока коммутации. При этом дополнительно введены блоки сравнения и анализа текущих параметров и погрешностей ИНС1 и ИНС2, блок памяти полетного задания, блок прогнозирования траектории и параметров полета, два блока прогнозирования погрешностей ИНС1, ИНС2 и два блока памяти. С помощью вновь введенных блоков моделируют полет ЛА от точки текущего местоположения ЛА до заданной точки маршрута или на заданный интервал времени. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к области авиационного приборостроения и может быть использовано в составе комплексов пилотажно-навигационного оборудования летательных аппаратов (ЛА). Технический результат - расширение функциональных возможностей. Для этого использованы взаимосоединенные входами-выходами по каналу информационного обмена комплект многофункциональных индикаторов, комплект навигационно-пилотажных средств, переносной носитель исходных данных, вычислительная система, включающая взаимосоединенные входами-выходами по магистрали вычислительного информационного обмена вычислительно-логические модули объединенной базы данных (ОБД), формирования навигационно-пилотажных параметров (ФНПП), формирования отображаемой информации (ФОИ), формирования управляющих сигналов (ФУС), ввода-вывода и управления информационным обменом (ВВУИО). Комплексная система навигации и управления ЛА дополнительно снабжена введенными в состав вычислительной системы вычислительно-логическими модулями оценки положения ЛА относительно навигационной точки и формирования фиктивного угла сноса. 4 ил.
Изобретение, характеризуемое как способ повышения точности начальной выставки бесплатформенной инерциальной системы (БИНС) во время нахождения летательного аппарата (ЛА) на аэродроме, после начальной выставки и перехода БИНС в режим навигации, за все время нахождения ЛА на аэродроме, осуществляют совместную обработку информации инерциального счисления и внешней информации, поступающей, по меньшей мере, от спутниковой навигационной системы (СНС), относится к области инерциальной навигации и может быть использовано в авиационных БИНС. Упомянутая обработка информации включает формирование оценок поправок к калибровочным величинам первичных погрешностей БИНС и формирование оценок поправок к выходным параметрам инерциального счисления. Совместная обработка информации дополнительно включает фильтрацию полученных упомянутых оценок поправок по условиям наблюдаемости и достоверности, причем оценки поправок, удовлетворяющие упомянутым критериям, и/или нулевые значения для оценок, не удовлетворяющих упомянутым критериям, вносят в качестве соответствующих оценок поправок к калибровочным величинам первичных погрешностей БИНС и оценок поправок к выходным параметрам инерциального счисления, включая углы ориентации, определенные на этапе начальной выставки, непосредственно в момент отрыва ЛА от взлетно-посадочной полосы. Технический результат - повышение точности начальной выставки БИНС. 2 н. и 1 з.п. ф-лы.
Комплекс бортового оборудования содержит бортовое радиоэлектронное оборудование, комплексный потолочный пульт, интегрированную систему сбора, контроля и регистрации полетной информации, систему управления общесамолетным оборудованием, систему управления комплексной системой управления, вычислительную часть маршевой силовой установки, общесамолетные системы с собственными вычислителями, подключенные к бортовой сети информационного обмена определенным образом. Бортовое радиоэлектронное оборудование содержит средства управления и индикации, вторичную систему, вычислительное ядро с шестью центральными вычислителями. Система управления общесамолетным оборудованием содержит два блока вычислителей-концентраторов, блок преобразования сигналов, блок защиты и коммутации. Система управления комплексной системой управления содержит два информационно-вычислительных комплекса. Вычислительная часть маршевой силовой установки содержит два блока управления и контроля. Общесамолетные системы с собственными вычислителями содержат контроллер системы энергоснабжения, пульт бортпроводника, контроллер системы кондиционирования воздуха, электронный блок управления вспомогательной силовой установки, контроллер системы основного и резервного питания, контроллер системы автоматического регулирования давления, контроллер системы противопожарной защиты. Все контроллеры, вычислители и блоки управления выполнены по разнородной архитектуре и подключены к бортовой сети информационного обмена. Обеспечивается безопасность полета пассажирского летательного аппарата.
Наверх