Устройство для определения местоположения и угловой ориентации летательного аппарата
Владельцы патента RU 2757760:
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук (RU)
Изобретение относится к радиолокационным и радионавигационным системам определения текущего местонахождения и угловых координат подвижных объектов. Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции устройства. Устройство для определения местоположения и угловой ориентации летательного аппарата, включающее расположенные на раме летательного аппарата четыре приемника и цифровой сумматор, введены расположенные на раме летательного аппарата первый, второй, третий делители и аккумуляторная батарейка, цифровой сумматор снабжен двенадцатыми входными шинами, тремя выходными шинами и шиной по питанию, первый выход сумматора подключен к входу первого делителя, второй выход сумматора подключен к входу второго делителя, третий выход сумматора подключен к входу третьего делителя, аккумуляторная батарейка соединена с шиной по питанию сумматора, шинами по питанию приемников и входами по питанию делителей, выходы которых являются выходами устройства. 1 ил.
Изобретение относится к радиолокационным и радионавигационным системам определения текущего местонахождения и угловых координат подвижных объектов.
Известно устройство, реализующее способ определения местоположения и углов ориентации летательного аппарата относительно взлетно-посадочной полосы, и устройство для его осуществления (RU 2347240 С2, 10.27.2008), содержащее совокупность лазерных маяков, включающую три лазера, модуль приемника излучений лазеров, содержащий объектив и фотоматрицу, вычислитель, включающий модуль обработки оцифрованного изображения лазерных маяков и модуль вычисления координат. Принцип работы этого технического решения заключается в том, что сигналы трех лазерных маяков, установленных на аэродроме вблизи взлетно-посадочной полосы на полосах безопасности в точках с известными координатами, регистрирует приемник излучения, установленный на летательном аппарате, при этом определяют местоположение относительно взлетно-посадочной полосы и углы ориентации летательного аппарата.
Недостатком этого известного способа можно считать нестабильность чувствительности фотоматрицы из-за изменения отношения сигнал - шума при наличии сильных осадков в виде дождя и снега.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является принятый автором за прототип устройство системы контроля координат центра массы и угловой скорости ориентации подвижного объекта (RU 131132 U1, 10.04.2013). Данное устройство включает в себя установленные по периметру летательного аппарата приемники 12 спутниковых каналов ГЛОНАСС/GPS, цифровой сумматор и бортовую цифровую вычислительную машину, при этом приемники сообщены с сумматором и бортовой цифровой вычислительной машиной интерфейсной оптико-волоконной шиной и установлены по периферии на шпангоутах с помощью кронштейна. В данном техническом решении благодаря использованию 12 спутниковых каналов и многоканального цифрового сумматора с перекрестными связями приемников и обработке информационных сигналов в бортовой вычислительной системе, показано улучшение точностных характеристик определения местоположения и угловой ориентации подвижного объекта с минимизацией средней квадратической ошибки.
Недостатком этого устройство является конструктивная сложность, связанную с наличием двенадцати приемников и громоздкой бортовой вычислительной системы.
Техническим результатом заявляемого технического решения является упрощение конструкции устройства.
Технический результат достигается тем, что в устройство для определения местоположения и угловой ориентации летательного аппарата, включающее расположенные на раме летательного аппарата первый, второй, третий, четвертый приемники и цифровой сумматор, введены расположенные на раме летательного аппарата первый, второй, третий делители и аккумуляторная батарейка, цифровой сумматор снабжен двенадцатыми входными шинами, тремя выходными шинами и шиной по питанию, причем выходы первого приемника соединены с первыми входными тремя шинами сумматора, выходы второго приемника соединены со вторыми входными тремя шинами сумматора, выходы третьего приемника соединены с третьими входными тремя шинами сумматора, выходы четвертого приемника соединены с четвертыми входными тремя шинами, первый выход сумматора подключен к входу первого делителя, второй выход сумматора подключен к входу второго делителя, третий выход сумматора подключен к входу третьего делителя, аккумуляторная батарейка соединена с шиной по питанию сумматора, шинами по питанию приемников и входами по питанию делителей, выходы которых являются выходами устройства.
Сущность заявляемого изобретения, характеризуемого совокупностью указанных выше признаков, состоит в том, проведение процедуры деления выходных сигналов цифрового сумматора дает возможность определить координаты летательного аппарата.
Наличие в заявляемом способе совокупности перечисленных существующих признаков, позволяет решить задачу определения местоположения и угловой ориентации летательного аппарата на основе проведения процедуры деления выходных сигналов цифрового сумматора с желаемым техническим результатом, т.е. упрощением конструкции устройства.
На чертеже представлена функциональная схема устройства.
Устройство содержит первый приемник 1, второй приемник 2,третий приемник 3, четвертый приемник 4, цифровой сумматор 5, первый делитель 6, второй делитель 7, третий делитель 8 и аккумуляторную батарейку 9. На чертеже цифрой 10 обозначен летательный аппарат.
Устройство работает следующим образом. В предлагаемом устройстве, определение местоположения и угловой ориентации летательного аппарата сводится к тому, что первый 1, второй 2, третий 3 и четвертый 4 приемники, в качестве которых могут быть применены ГЛОНАСС/GPS приемники, улавливают сигналы с ближайших спутников из Глобальных навигационных группировок (ГЛОНАСС и GPS), летающих на высоте порядка 20000 км. Как известно, приемники типа ГЛОНАСС и GHS получает информацию от спутников, обрабатывает ее и могут определить свое местоположение по трем координатам - долготе λ, широте ϕ и высоте h над уровнем моря. В рассматриваемом случае вышеприведенные приемники устанавливаются по периметру летательного аппарата 10. Следовательно, по выходным сигналам указанных выше четырех приемников можно определить местоположение и угловые ориентации летательного аппарата. При этом, Как правило, результаты представляются в цифровом виде. Информации о трех параметрах по каждому приемнику далее передаются на соответствующие четыре (первые, вторые, третье и четвертые) входы цифрового сумматора 5. Здесь информационные сигналы селекцируются по контролируемым параметрам (долготе, широте и высоте), складываются, и на соответствующих трех выходах сумматора получаем преобразованные сигналы, зависящие от долготы, широты и высоты летательного аппарата. После этого с выходов сумматора сигналы, связанные с долготой, широтой и высотой соответственно поступают на входы первого делителя 6, второго делителя 7 и третьего делителя 8. Так как мы проводим серию измерений контролируемых параметров, то возможно наличие случайных ошибок в процессе контроля координат λ, ϕ и h из-за случайных изменений этих параметров. В силу этого для уменьшения ошибок в местоположении и угловых ориентациях в предложенном техническом решении, проводится четырехкратное измерение каждого контролируемого параметра, т.е. используются четыре приемника.
Другими словами в рассматриваемом случае имеем дело со многими множественными (четырьмя) измеренными величинами каждого параметра, т.е. ряд наблюдений одних и те же физических величин. В таких случаях, как известно, ставится вопрос, что принять за измеренное значение и как оценить суммарную погрешность результата.
Согласно теории измерительной техники в качестве результата измерений обычно принимают среднее значение
где n - число измерений, Xi - наблюдение.
В соответствии с последней формулой, в каждом делителе предлагаемого устройства, суммарные значения измеренных величин делятся на четыре (среднее арифметическое) и направляются на их выходы. Отсюда можно заключить, что по выходным сигналам трех сумматоров, например, первого можно получить информацию о долготе, второго - о широте, третьего - о высоте.
Разность между средним значением и результатом i-го измерения назовем абсолютной ошибкой этого измерения
В качестве меры ошибки среднего значения можно принять среднее значение абсолютной ошибки отдельного измерения
Величина 
называется средней арифметической (или средней абсолютной) ошибкой.
В радиолокационных и радионавигационных системах определение вышеприведенных координат считается важней задачей. В таких случаях, как правило, необходимо знать надежность (устойчивость) полученных результатов, т.е. оценить среднюю квадратическую ошибку (или стандартное отклонение) выходного сигнала каждого делителя, которую можно вычислить формулой
Так как мы вычисляем по n измерениям среднее значение 
по формуле (1), то это значение будет более точным, то есть будет меньше отличаться от истинного, чем каждое отдельное измерение. Средняя квадратичная ошибка среднего значения σX равна
где σ - среднеквадратичная ошибка каждого отдельного измерения, n - число измерений.
Из последней формулы видно, что увеличивая число опытов, можно уменьшить случайную ошибку в величине среднего значения. С другой стороны, как показывает (см. Полтавский А.В. Интеграции сигналов когерентной системы ГЛОНАСС/GPS// Надежность и качество сложных систем. 4014. №2(6), стр. 50), иллюстрация изменения средней квадратической ошибки сигнала с многоканального сумматора n приемников ГЛОНАСС/GPS, устойчивость процесса можно обеспечить уже при 4-6 приемниках. В предложенном техническом решении благодаря применению 4 приемников, средняя квадратическая ошибка практически не отличается от ошибки при применении 12 приемников в устройстве, реализующем прототип.
Таким образом, в предлагаемом техническом решении преобразование информационных сигналов о местоположении и угловой ориентации летательного аппарата, полученных посредством четырех приемников, можно обеспечить упрощение конструкции устройства.
В устройстве питание от аккумуляторной батарейки 9 одновременно подается приемникам, делителям и сумматору.
Устройство для определения местоположения и угловой ориентации летательного аппарата, включающее расположенные на раме летательного аппарата первый, второй, третий, четвертый приемники и цифровой сумматор, отличающееся тем, что в него введены расположенные на раме летательного аппарата первый, второй третий делители и аккумуляторная батарейка, цифровой сумматор снабжен двенадцатыми входными шинами, тремя выходными шинами и шиной по питанию, причем выходы первого приемника соединены с первыми входными тремя шинами сумматора, выходы второго приемника соединены со вторыми входными тремя шинами сумматора, выходы третьего приемника соединены с третьими входными тремя шинами сумматора, выходы четвертого приемника соединены с четвертыми входными тремя шинами, первый выход сумматора подключен к входу первого делителя, второй выход сумматора подключен к входу второго делителя, третий выход сумматора подключен к входу третьего делителя, аккумуляторная батарейка соединена с шиной по питанию сумматора, шинами по питанию приемников и входами по питанию делителей, выходы которых являются выходами устройства.
