Патент на изобретение №2279039

(54) НАВИГАЦИОННЫЙ КОМПЛЕКС

(57) Реферат:

Данное изобретение относится к прецизионной навигации подвижных объектов. Навигационный комплекс подвижного объекта содержит приемоиндикатор спутниковой навигационной системы, измерители скорости и курса, включая трехстепенный магнитный датчик направления, установленный в связанной системе координат подвижного объекта, датчики углов крена, тангажа, датчики углов атаки и скольжения, датчики линейных ускорений и угловых скоростей, установленные в связанной системе координат подвижного объекта, и бортовой вычислитель, выполненный с возможностью совместной обработки всех датчиков и систем. В состав указанного комплекса дополнительно введена косвенная стабилизированная платформа, снабженная тремя кардановыми рамками, на которых установлены три моментных электродвигателя с сервоприводом, два трехкомпонентных акселерометра с механизмом их перемещения относительно друг друга, измеритель линейной скорости перемещения трехкомпонентных акселерометров, функционально связанных с бортовым вычислителем. Предложенное изобретение направлено на повышение точности определения текущих навигационных параметров оснащенного им подвижного объекта. 1 ил.

Изобретение относится к навигации подвижных объектов, включающих летательные аппараты, суда, подводные аппараты, локомотивы и наземный транспорт специального назначения, и может быть использовано как для повышения точности судовождения, так и для решения задач дистанционного позиционирования, например, при загрузке и разгрузки нефтеналивных судов и газовозов с погруженных или дрейфующих терминалов.

Известные навигационные комплексы летательных аппаратов и судов [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8], в зависимости от решаемых подвижными объектами задач, состоят из измерителей курса (магнитный компас, гирокомпас и т.д.) и скорости (воздушный датчик скорости, доплеровские измерители скорости и сноса), высоты и углов сноса и дрейфа, радиопеленгаторов, навигационных РЛС, приемоиндикаторов радионавигационных и спутниковых навигационных систем, датчиков измерения динамических параметров, включая большие инерциальные системы и системы комплексирования и совместной обработки измеренной информации на основе вычислительных средств.

Сравнительно высокая точность измерений достигается за счет совместной обработки сигналов от первичных датчиков навигационных и динамических параметров, отдельные из которых для обеспечения надежности и получения избыточности информации устанавливаются в нескольких комплектах, что существенно усложняет ее размещение и эксплуатацию, особенно на небольших подвижных объектах, имеющих ограничения по массогабаритным характеристикам. Кроме того, несмотря на то, что все измерители и системы проходят всесторонние испытания для установления систематических и определения случайных погрешностей, в полной мере исключить эти погрешности не удается.

Основными параметрами, обеспечивающими безопасность движения подвижных объектов являются скорость, курс, координаты места и пространственного положения объекта. И если координаты места при использовании сигналов от дифференциальных станций спутниковых навигационных систем в зоне их действия могут быть определены с необходимой степенью точности, то при определении остальных параметров для уменьшения их погрешностей используют сложный математический аппарат, что не всегда является обоснованным из-за непостоянства внешних факторов, оказывающих существенное влияние на подвижный объект. При этом для увеличения точности навигационных измерений выполняют комплексирование различных по принципам действия навигационных подсистем, включенных в навигационный комплекс. При комплексировании выполняется совместная обработка их сигналов таким образом, чтобы уменьшить ошибки измерения для повышения качества управления движением подвижного объекта путем управления по ошибке. Однако использование закона управления только по ошибке не позволяет добиться инвариантности движения подвижного объекта.

В известном навигационном комплексе [9] для повышения точности определения текущих координат и пространственных параметров отсчет пространственных углов подвижного объекта производится от базы, определяемой сигналами трехстепенного магнитного датчика направления, измеряющего составляющие вектора магнитного поля Земли, и сигналами датчиков углов тангажа, крена. При этом при нахождении подвижного объекта в экваториальной зоне, когда направление оси датчика пространственного угла подвижного объекта может совпасть с направлением вектора магнитного поля Земли, что приводит к резкому снижению точности измерения координат, предлагается вводить в вычислитель навигационного комплекса наибольший по отклонению от оси вектора магнитного поля Земли углов крена или тангажа, непрерывно измеряемых соответствующими датчиками. Однако это не является оптимальным вариантом решения данной проблемы, так как составляющие скорости и ускорения по направлениям (осям) определяются путем интегрирования измеренных значений за заданное время и вследствие этого средняя квадратическая погрешность измерения будет включать остаточные средние квадратические погрешности учета ускорений бортовой и вертикальной качек, учета ускорения силы тяжести, учета смещения датчиков, учета ускорения движения объекта по траектории и инструментальную погрешность самого датчика.

Кроме того, для определения координат места посредством аппаратуры спутниковой навигационной системы в нее необходимо вводить значения скорости подвижного объекта, которые в прототипе должны определяться посредством радиодоплеровского измерителя скорости или датчика воздушной скорости (летательный аппарат), в противном случае будет иметь место первоначальная систематическая погрешность и, как следствие этого, координаты места также будут определяться с систематической погрешностью, которая со временем процесса движения будет накапливаться. Использование параметрической оптимизации алгоритма комплексирования сигналов от датчиков, работающих на разных физических принципах и имеющих не адекватную реакцию на внешние воздействия, для увеличения точности навигационных измерений не всегда приводит к желаемому результату. Так, например, методика синтеза оптимальных систем, основанная на теореме разделения, работает безупречно, когда все измерения содержат помехи типа белого шума и устройство оценки является фильтром Кальмана. Если же помехи в каких-либо каналах измерения коррелированы или отсутствуют, то уравнения фильтра Кальмана вырождаются и для получения оптимальных оценок необходимо использовать фильтр Брайсона-Йохансена. В этом случае применение общей методики может натолкнуться на трудности, а реализация оптимального линейного по оценкам закона управления оказывается не всегда возможной (см., например, [3, с.103]).

Задачей заявляемого технического решения является повышение точности определения текущих навигационных параметров подвижного объекта.

Поставленная задача достигается за счет того, что в навигационный комплекс подвижного объекта, состоящий из приемоиндикатора спутниковой навигационной системы, измерителей скорости и курса, включая трехстепенной магнитный датчик направления, установленный в связанной системе координат подвижного объекта, датчиков углов крена, тангажа (дифферента), датчиков углов атаки и скольжения, датчиков линейных ускорений и угловых скоростей, установленные в связанной системе координат подвижного объекта и бортового вычислителя, выполненного с возможностью совместной обработки сигналов от всех датчиков и систем, дополнительно введена косвенная стабилизированная платформа, снабженная тремя кардановыми рамками, на которых установлены три моментных электродвигателя с сервоприводом, два трехкомпонентных акселерометра с механизмом их перемещения относительно друг друга, измеритель линейной скорости перемещения трехкомпонентных акселерометров, функционально связанных с бортовым вычислителем.

Ввод в известное устройство косвенной стабилизированной платформы с тремя кардановыми рамками, на которых установлены три моментных электродвигателя, двух трехкомпанентных акселерометров с механизмом их перемещения относительно друг друга и измерителя линейной скорости позволяет определить мгновенные значения скорости подвижного объекта относительно Земли.

Сущность заявляемого технического решения поясняется чертежом, на котором изображена блок-схема устройства, которое включает бортовой вычислитель 1, магнитный датчик направления 2, блок датчиков 3 углов крена, блок датчиков 4 тангажа, блок датчиков 5 углов атаки, блок датчиков 6 скольжения, приемоиндикатор 7 спутниковой навигационной системы, блок датчиков 8 линейных ускорений, блок датчиков 9 угловых скоростей, пульт управления 10, косвенная стабилизированная платформа 11, на которой установлены три моментных электродвигателя 12, 13, 14 с сервоприводом, два трехкомпонентных акселерометра 15, 16 с механизмом 17 их перемещения относительно друг друга, измеритель 18 линейной скорости перемещения трехкомпонентных акселерометров 15, 16, измеритель скорости 19 и гирокомпас 20.

Косвенная стабилизированная платформа 11 выполнена с тремя кардановыми рамками, на которых установлены три моментных электродвигателя 12, 13, 14 с сервоприводом, выполненным в виде редуктора. Механизм 17 перемещения акселерометров 15, 16 относительно друг друга состоит из двигателя, редуктора, червячных передач. Измеритель 18 линейной скорости перемещения акселерометров 15 и 16 представляет собой тахометр типа АДТ-20-50, соединенный своим выходом с бортовым вычислителем 1.

Определение скорости относительно Земли заключается в измерении суммарных ускорений акселерометрами 15 и 16 в момент их встречи при взаимном перемещении акселерометров по параллельным направлениям навстречу друг другу. При этом определяется разность отсчетов в виде разности составляющих ускорений на оси чувствительности акселерометров в соответствии с уравнением, связывающим соответствующую составляющую скорости подвижного объекта относительно Земли, скорость перемещения акселерометров, радиус кривизны траектории движения подвижного объекта, угловую скорость вращения Земли через параметры, определяющие взаимную ориентацию систем отсчета, в которых измеряется ускорение и совершается перемещение подвижного объекта. Для получения трех составляющих скорости относительно Земли необходимо иметь как минимум три подобных уравнения, которые можно получить, используя, например, трехкомпонентный акселерометр или три пары линейных акселерометров с различающими векторами скорости и синхронной точкой их встречи. При идентичности параметров акселерометров 15 и 16 появляется возможность исключать из получаемых уравнений ускорения, вызываемые одинаковыми силами. Вследствие синхронности и изолокальности измерений исключаются и другие одинаковые систематические погрешности для двух акселерометров, чем обеспечивается повышение точности выработки составляющих скорости относительно Земли, что в свою очередь позволяет осуществлять коррекцию пути и, как следствие этого, долготы, вырабатываемых навигационным комплексом.

В бортовом вычислителе 1 искомые значения составляющих скорости V_x, V_y, V_z определяются путем совместного решения уравнений вида:

a₁V_x+b₁V_y+с₁V_z=d₁; a₂V_x+b₂V_y+c₂V_z=d₂; a₃V_x+b₃V_y+c₃V_z=d₃, где

a_i, b_i c_i, d_i (i=1, 2, 3) – коэффициенты и свободные члены уравнений, определяемые по разности измеренных акселерометром составляющих ускорений, составляющих радиуса кривизны траектории подвижного объекта, направления относительно топоцентрической системы координат и по значениям широты.

Оценочные испытания, проведенные на широтах 0-85 град. на различных курсах и скоростях движения при скорости перемещения акселерометров 5 и 10 м/с со средней квадратической погрешностью скорости перемещения акселерометров 0,01 м/с и средней квадратической погрешностью измерения составляющих ускорения 1·(10^-4, 10^-5) м/с² при различных периодах и амплитудах рыскания и качки, средняя квадратическая погрешность определения составляющих скорости составила 0,04-0,06 м/с, что на порядок выше, чем у известных навигационных комплексов. При этом погрешность выработки навигационных параметров и параметров ориентации составила по координатам места 5…30 м, путевой скорости 0,04 м/с, курса 0,1-0,3 град.

При установке на крупные подвижные объекты, снабженные сложными инерциальными системами, предлагаемое устройство может быть использовано в качестве устройства коррекции для ИНС, а также в качестве подсистемы систем дистанционного позиционирования крупных морских подвижных объектов.

Источники информации

1. Современное состояние и тенденции развития зарубежных средств и систем навигации подвижных объектов военного и гражданского назначения /Александров А.С., Арно Г.Р., Васильева Т.Е. и др. С-П, ГУНИО МО РФ, 1994, с.62-108.

2. Козарук В.В., Ребо Я.Ю. Навигационные эргатические комплексы самолетов. М.: Машиностроение, 1986, с.34-38.

3. Управление морскими подвижными объектами /Лернер Д.М., Лукомский Ю.А., Михайлов В.А. и др. Л.: Судостроение, 1979, с.258.

4. Гузеев А.Г., Чернявец В.В. Исследования и проработки США по перспективам развития КПК типа РНМ. Л., ЦНИИ “Румб”, ЭИ “Зарубежное судостроение”, №7, 1978.

6. Статистическая оптимизация навигационных систем /Ривкин С.С. и др. – Л.: Судостроение, 1976.

7. Авиационная радионавигация /Справочник под ред. Сосновского А.А. – М.: Транспорт, 1990.

8. Бабич О.А. Обработка информации в навигационных комплексах. М.: Машиностроение, 1991, с.6-8.

9. Патент РФ №2071034 С1.

Формула изобретения

Навигационный комплекс подвижного объекта, состоящий из приемоиндикатора спутниковой навигационной системы, измерителей скорости и курса, включая трехстепенный магнитный датчик направления, установленный в связанной системе координат подвижного объекта, датчиков углов крена, тангажа (дифферента), датчиков углов атаки и скольжения, датчиков линейных ускорений и угловых скоростей, установленных в связанной системе координат подвижного объекта, и бортового вычислителя, выполненного с возможностью совместной обработки всех датчиков и систем, отличающийся тем, что дополнительно введена косвенная стабилизированная платформа, снабженная тремя кардановыми рамками, на которых установлены три моментных электродвигателя с сервоприводом, два трехкомпонентных акселерометра с механизмом их перемещения относительно друг друга, измеритель линейной скорости перемещения трехкомпонентных акселерометров, функционально связанных с бортовым вычислителем.

РИСУНКИ