Способ автономной ориентации подвижных объектов
Владельцы патента RU 2653967:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.) (RU)
Изобретение относится к способу автономной ориентации подвижного объекта. Для автономной ориентации подвижного объекта измеряют проекции векторов напряженности результирующего магнитного поля трехосным блоком акселерометров, кажущееся ускорение объекта трехосным блоком акселерометров, абсолютную угловую скорость вращения объекта трехосным блоком гироскопов, выполняют предварительную метрологическую калибровку магнитометров, акселерометров и гироскопов, идентификацию и учет параметров внутренних и внешних помех объекта, алгоритмическую обработку сигналов магнитометров, акселерометров и гироскопов, коррекцию, учет относительных угловых скоростей вращения и редукцию показаний магнитометров, акселерометров и гироскопов, формируют информацию о совокупности базисов векторов геофизических полей и дополнительных векторов в неподвижном и связанном трехгранниках, вычисляют оценки направляющих косинусов и углов ориентации объекта в условиях функциональной избыточности информации, оценки угловых скоростей вращения объекта. Обеспечивается повышение точности автономной ориентации подвижных объектов. 1 ил.
Изобретение относится к области приборостроения, а именно к области автоматического регулирования, и может быть использовано в системах пространственной ориентации и навигации подвижных объектов.
Известен способ ориентации подвижного объекта, основанный на интегрированном использовании информации, получаемой от бортовой бесплатформенной инерциальной системы ориентации и навигации, а также дифференциальной спутниковой навигационной системы (Пешехонов В.Г. Интегрированные инерциально-спутниковые системы навигации // Сборник докладов и статей / под общей ред. акад. РАН В.Г. Пешехонова. Составитель д.т.н. О.А. Степанов. - СПб.: ГНЦ РФ - ЦНИИ Электроприбор, 2001. 235 с.).
Недостатком этого способа является низкая точность ориентации объекта в автономном режиме - при отсутствии дифференциальных поправок от спутниковой навигационной системы.
Известен также аналитический способ автономной ориентации подвижного объекта, основанный на формировании и обработке интегрированной многомерной информации, получаемой от пар и троек трехосных блоков гироскопов, акселерометров и магнитометров (Шведов А.П. Комплексирование магнитометрических и инерциальных систем ориентации / А.П. Шведов, Ю.В. Иванов, Д.М. Малютин, Р.В. Алалуев, М.Г. Погорелов // Справочник. Инженерный журнал. Приложение. №6. 2010. С. 15-19).
Способ имеет недостатки:
- низкая точность автономной ориентации объекта в районах географических / геомагнитных полюсов и околополярных районах (с географической широтой более 60°) из-за близости к условию вырождения алгоритмов обработки информации по причине квазиколлинеарности базовых векторов геофизических полей - поля тяжести и поля вращения Земли / поля тяжести и магнитного поля Земли;
- повышенная чувствительность алгоритмов обработки информации к погрешностям первичных измерений;
- низкая точность ориентации объекта из-за чувствительности алгоритмов обработки информации к дестабилизирующим факторам - внешним и внутренним помехам, технологическим и эксплуатационным помехам.
Наиболее близким к заявленному способу является аналитический способ автономной ориентации подвижного объекта, основанный на формировании расширенной комплексной магнито-тахо-акселерометричекой информации, получаемой с помощью трехблочного гибридного измерительного модуля, и последующей обработке полученной информации по алгоритмам аналитического горизонт-компасирования (МПК E21B 47/022, патент РФ №2503810, публ. 10.01.2014).
Способ ориентации включает измерение проекций напряженности магнитного поля феррозондами, измерение проекций ускорения свободного падения акселерометрами, измерение проекций угловой скорости Земли гироскопами на оси инклинометра, преобразование первичных сигналов и определение углов пространственной ориентации объекта. При этом оценивается погрешность гироскопических датчиков с привлечением информации от спутниковой навигационной системы и корректируется величина дрейфа гироскопических датчиков с учетом информации от феррозондов. Причем при отсутствии магнитных аномалий вычисляются углы ориентации по сигналам феррозондов и акселерометров, а при работе в средах с аномальными магнитными свойствами вычисляются параметры ориентации по сигналам гироскопов и акселерометров. Т.е. обработка многомерной магнито-тахо-акселерометричекой информации выполняется по схеме реконфигурации. При отсутствии магнитных аномалий и внешних помех реализуется автономная ориентация с помощью безгироскопного интегрированного магнито-акселеметрического измерительного модуля. При наличии магнитных аномалий и при появлении внешних магнитных помех реализуется автономная ориентация с помощью гибридного тахо-акселерометрического модуля.
Этот способ решает задачу автономной ориентации подвижного объекта, однако его недостатками являются:
- низкая точность ориентации объекта в районах географических / геомагнитных полюсов и околополярных районах (с географической широтой более 60°) из-за вырождения алгоритмов обработки информации по причине квазиколлинеарности базовых векторов геофизических полей - поля тяжести и поля вращения Земли / поля тяжести и магнитного поля Земли;
- низкая точность ориентации объекта из-за чувствительности алгоритмов обработки информации к дестабилизирующим факторам - внешним и внутренним помехам, технологическим и эксплуатационным помехам.
Технической проблемой заявляемого изобретения является недостаточная точность автономной ориентации подвижных объектов.
Поставленная проблема решается следующим образом.
В способе автономной ориентации подвижного объекта, основанном на измерениях проекций векторов напряженности результирующего магнитного поля трехосным блоком магнитометров, кажущегося ускорения объекта трехосным блоком акселерометров и абсолютной угловой скорости вращения объекта трехосным блоком гироскопов, дополнительно выполняют: предварительную метрологическую калибровку блоков магнитометров, акселерометров и гироскопов; идентификацию и учет параметров внутренних и внешних помех объекта; алгоритмическую обработку сигналов блоков магнитометров, акселерометров и гироскопов; коррекцию, учет относительных угловых скоростей вращения и редукцию показаний блоков магнитометров, акселерометров и гироскопов; формирование информации о совокупности базисов векторов геофизических полей и дополнительных векторов в неподвижном и связанном трехгранниках; вычисление оценок направляющих косинусов и углов ориентации объекта по алгоритмам аналитической пространственной ориентации объекта в условиях функциональной избыточности информации; вычисление оценок относительных угловых скоростей вращения объекта.
Совокупность отличительных признаков заявляемого изобретения обеспечивает выполнение поставленной технической задачи.
Из изученной научно-технической и патентной информации авторам не известен способ с указанными в формуле изобретения отличительными признаками, это дает основание сделать вывод о соответствии заявляемого способа критериям изобретения.
Заявленное изобретение поясняется фиг., отражающей последовательность подготовки, измерения и обработки многомерной информации. Позициями на чертежах обозначены: 1 - предварительная метрологическая калибровка блоков магнитометров, акселерометров и гироскопов; 2 - идентификация и учет параметров внутренних и внешних помех объекта; 3 - измерения проекций векторов напряженности результирующего магнитного поля трехосным блоком магнитометров, кажущегося ускорения объекта трехосным блоком акселерометров и абсолютной угловой скорости вращения объекта трехосным блоком гироскопов; 4 - алгоритмическая обработка сигналов блоков магнитометров, акселерометров и гироскопов; 5 - коррекция, учет относительных угловых скоростей вращения и редукция показаний блоков магнитометров, акселерометров и гироскопов; 6 - формирование информации о совокупности базисов векторов геофизических полей и дополнительных векторов в неподвижном и связанном трехгранниках; 7 - вычисление оценок направляющих косинусов и углов ориентации объекта по алгоритмам аналитической пространственной ориентации объекта в условиях функциональной избыточности информации; 8 - вычисление оценок относительных угловых скоростей вращения объекта.
При реализации способа автономной ориентации подвижных объектов в системах пространственной ориентации и навигации подвижных объектов выполняют (реализуют) следующие операции:
1. С целью проведения предварительной метрологической калибровки блоков магнитометров, акселерометров и гироскопов (позиция 1 фиг.) в режиме натурного эксперимента формируют:
- матрицы-столбцы оценок векторов масштабных коэффициентов измерительных каналов трехосных блоков магнитометров , акселерометров 
и гироскопов 
:
; 
; 
,
где 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
- значения оценок векторов масштабных коэффициентов измерительных каналов трехосных блоков, соответственно, магнитометров, акселерометров и гироскопов в связанных координатных осях X, Y, Z;
- матрицы-столбцы оценок векторов систематических составляющих нулевых сигналов измерительных каналов трехосных блоков магнитометров 
, акселерометров 
и гироскопов 
в связанных координатных осях X, Y, Z:
;
;
,
где 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
- значения оценок векторов систематических составляющих нулевых сигналов измерительных каналов трехосных блоков, соответственно, магнитометров, акселерометров и гироскопов в связанных координатных осях X, Y, Z.
2. Для идентификации и учета параметров внутренних и внешних помех объекта (позиция 2 фиг.) формируют:
- матрицы геометрических погрешностей сборки трехосных блоков магнитометров Вм, акселерометров Ва и гироскопов Вг:
;
;
,
где 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
- значения величин геометрических погрешностей сборки трехосных блоков, соответственно, магнитометров, акселерометров и гироскопов в связанных координатных осях X, Y, Z;
- матрицу геометрических погрешностей монтажа модуля с трехосными блоками магнитометров, акселерометров и гироскопов на объекте М
,
где α, β, σ - значения величин геометрических погрешностей монтажа модуля, содержащего трехосные блоки магнитометров, акселерометров и гироскопов, на объекте;
- матрицу коэффициентов Пуассона S и вектор напряженности магнитного поля объекта 
постоянной намагниченности:
,
где a, b, c, d, е, 
, g, h, k - коэффициенты Пуассона;
,
где Р, Q, R - значения составляющих вектора напряженности магнитного поля объекта в связанных координатных осях X, Y, Z;
- матрицу-столбец оценок угловой скорости дрейфа блока гироскопов 
в проекции на оси связанного трехгранника m=XYZ:
,
где 
, 
, 
- значения оценок составляющих вектора угловой скорости дрейфа блока гироскопов в проекции на оси связанного трехгранника m=XYZ.
3. Выполняют измерения проекций векторов напряженности результирующего магнитного поля 
трехосным блоком магнитометров, кажущегося ускорения объекта 
трехосным блоком акселерометров и абсолютной угловой скорости вращения объекта 
трехосным блоком гироскопов (позиция 3 фиг.). Результаты измерения представляют в виде уравнений:
;
;
,
где 
, 
, 
- векторы фактических значений выходных сигналов трехосных блоков, соответственно, магнитометров, акселерометров и гироскопов в связанных координатных осях X, Y, Z; γx, γy, γz, kx, ky, kz, nx, ny, nz - фактические значения величин масштабных коэффициентов измерительных каналов трехосных блоков, соответственно, магнитометров, акселерометров и гироскопов в связанных координатных осях X, Y, Z; 
, 
, 
- векторы фактических значений систематических составляющих нулевых сигналов измерительных каналов трехосных блоков, соответственно, магнитометров, акселерометров и гироскопов в связанных координатных осях X, Y, Z.
4. С учетом результатов полученных при выполнении позиций 1 и 3 фиг. осуществляют алгоритмическую обработку сигналов блоков магнитометров, акселерометров и гироскопов (позиция 4 фиг.) по формулам:
;
;
,
где 
, 
, 
- оценки векторов, соответственно, напряженности результирующего магнитного поля, кажущегося ускорения объекта и абсолютной угловой скорости вращения объекта, отнесенных к связанному трехграннику m=XYZ.
5. С учетом результатов предварительно проведенной идентификации параметров внутренних и внешних помех объекта - позиция 2 фиг. (Вм, Ва Вг, М, S, 
, 
), с использованием данных бортовой навигационной системы о векторе абсолютного ускорения движения объекта в связанных координатных осях X, Y,
и результатов вычислений оценок составляющих вектора относительной угловой скорости вращения объекта на предыдущем шаге вычислений - позиция 8 фиг. (
, 
, 
) выполняют коррекцию показаний блоков магнитометров, акселерометров и гироскопов - позиция 4 фиг., а также их приведение (редукцию) к эквивалентному ортонормированному немагнитному основанию (позиция 5 фиг.) по формулам:
;
;
,
где Е - единичная матрица; 
, 
, 
- приведенные значения составляющих вектора результирующего магнитного поля в связанных координатных осях X, Y, Z; 
, 
, 
- приведенные значения составляющих вектора ускорения свободного падения тела в связанных координатных осях X, Y, Z; 
, 
, 
- приведенные значения вектора угловой скорости вращения Земли в связанных координатных осях X, Y, Z; 
- оценка матрицы ориентации объекта, полученная на предыдущем шаге вычислений; 
, 
, 
- оценки составляющих вектора относительной угловой скорости вращения объекта, полученные на предыдущем шаге вычислений; 
- вектор магнитного поля Земли, приведенный к связанным координатным осям X, Y, Z; 
- вектор ускорения свободного падения тела, приведенный к связанным координатным осям X, Y, Z; 
- вектор угловой скорости вращения Земли, приведенный к связанным координатным осям X, Y, Z.
6. По известным координатам местоположения объекта с использованием формул стандартных моделей геофизических полей (JGRF, WMM-2015, ЕММ-2015, HDGM-2015) и фигуры Земли в виде эллипсоида вращения (WGS-84, ПЗ-90) формируют избыточную информацию о совокупностях базисов векторов геофизических полей и дополнительных векторов 
, 
, 
, 
, 
, 
в связанном m=XYZ и неподвижном (географическом) s=NHE трехгранниках (позиция 6 фиг.):
; 
; 
;
; 
; 
,
; 
; 
;
; 
; 
,
где 
, 
, 
- оценки компонентов вектора напряженности магнитного поля Земли в географическом трехграннике s; 
, 
- оценки компонентов вектора напряженности поля тяжести Земли в географическом трехграннике s; 
, 
- оценки проекций вектора угловой скорости суточного вращения Земли на оси географического трехгранника s; 
, 
, 
- оценки векторов напряженности магнитного поля, поля тяжести и угловой скорости суточного вращения Земли, приведенные к географическому трехграннику s, соответственно; 
, 
, 
, 
, 
, 
- дополнительные векторы, равные произведениям векторов геофизических полей, отнесенные к осям связанного m=XYZ и географического s=NHE трехгранников.
7. По параметрам сформированных совокупностей базисов векторов геофизических полей в связанном и неподвижном (географическом) трехгранниках (позиция 6 фиг.), которые определяют функциональную избыточность информации, по алгоритмам аналитической пространственной ориентации объекта выполняют вычисление оценок направляющих косинусов и углов ориентации подвижного объекта путем решения систем трех уравнений (позиция 7 фиг.):
; 
; 
; 
;
; 
; 
; 
;
; 
; 
; 
;
; 
; 
; 
;
; 
; 
; 
.
Результатом решения систем уравнений являются значения оценок направляющих косинусов матрицы ориентации 
и оценок углов ориентации объекта 
- угла курса, 
- угла тангажа, 
- угла крена.
8. Вычисляют оценки относительных угловых скоростей вращения объекта (позиция 8 фиг.) на i-м шаге вычислений по алгоритмам численного дифференцирования
,
где 
, 
, 
, 
, 
, 
- значения оценок углов курса, тангажа и крена подвижного объекта на i-ом и (i-1)-ом шагах вычислений; Δti - интервал времени на i-ом шаге вычислений.
Данный способ по сравнению с прототипом позволяет:
- повысить точность решения задачи автономной ориентации подвижных объектов в районах географических / геомагнитных полюсов и околополярных районах, за счет вычисления дополнительных векторов 
, 
, 
, 
, 
, 
и их последующего использования в алгоритмах алгоритмической пространственной ориентации;
- повысить точность ориентации объекта за счет учета в алгоритмах обработки информации оценок дестабилизирующих факторов - внешних и внутренних помех, технологических и эксплуатационных помех, идентифицируемых в процессе предварительной метрологической калибровки блоков магнитометров, акселерометров и гироскопов.
Использование изобретения позволяет решать задачи автономной ориентации и навигации подвижных объектов в условиях отсутствия возможности применения спутниковых навигационных систем, что повышает безопасность и эффективность эксплуатации образцов авиационной, морской и наземной техники, в том числе в районах географических / геомагнитных полюсов и околополярных районах.
Способ автономной ориентации подвижного объекта, включающий измерения проекций векторов напряженности результирующего магнитного поля трехосным блоком магнитометров, кажущегося ускорения объекта трехосным блоком акселерометров и абсолютной угловой скорости вращения объекта трехосным блоком гироскопов, отличающийся тем, что выполняют: предварительную метрологическую калибровку блоков магнитометров, акселерометров и гироскопов; идентификацию и учет параметров внутренних и внешних помех объекта; алгоритмическую обработку сигналов блоков магнитометров, акселерометров и гироскопов; коррекцию, учет относительных угловых скоростей вращения и редукцию показаний блоков магнитометров, акселерометров и гироскопов; формирование информации о совокупности базисов векторов геофизических полей и дополнительных векторов в неподвижном и связанном трехгранниках; вычисление оценок направляющих косинусов и углов ориентации объекта по алгоритмам аналитической пространственной ориентации объекта в условиях функциональной избыточности информации; вычисление оценок относительных угловых скоростей вращения объекта.
