RU2380656C1

RU2380656C1 - Integrated strapdown inertial and satellite navigation system on coarse sensors

Info

Publication number: RU2380656C1
Application number: RU2008150960/28A
Authority: RU
Inventors: Олег Степанович Салычев (RU); Олег Степанович Салычев
Original assignee: Олег Степанович Салычев
Priority date: 2008-12-24
Filing date: 2008-12-24
Publication date: 2010-01-27

Abstract

FIELD: engineering industry.

SUBSTANCE: strapdown inertial navigation system (SINS) includes three computing navigation platforms, each of which has its own control law. Each platform performs damping of inertial errors (IE) as per its own law. At that, inertial error depends on the main aircraft movement parametres: roll, heading derivative, horizontal constituent parts of linear carrier acceleration; also on data quality of source of satellite navigation system, which is external in relation to the system. Master filter receiving output platform signals performs their optimum processing.

EFFECT: improving accuracy.

5 cl, 7 dwg

Description

Изобретение относится к области бесплатформенных инерциальных систем навигации (БИНС), комплексированных с приемником спутниковой навигационной системы (СНС).The invention relates to the field of strapdown inertial navigation systems (SINS), integrated with a receiver of a satellite navigation system (SNA).

Уровень техникиState of the art

Известна комплексная навигационная система (патент РФ №2265190 МПК G01C 23/00) (КНС) летательного аппарата (ЛА), включающая в себя навигационные датчики и системы, работающие на различных физических принципах (в том числе от спутниковой навигационной системы), а также вычислительно-логические блоки комплексной системы, обеспечивающие информационный обмен между датчиками и системами и расчет необходимых параметров состояния ЛА: блок компенсации ошибок КНС; блок формирования параметров состояния ЛА; блок формирования невязки, обеспечивающий сравнение однотипной информации, поступающей от различных измерителей. Ограничением изобретения является избыточный набор сложных и дорогостоящих элементов и, как следствие, сложность и дороговизна всей системы в целом, и при этом, в частности, принципиальная неработоспособность с гораздо более дешевой малогабаритной БИНС с «грубыми» чувствительными элементами (ЧЭ).Known integrated navigation system (RF patent No. 2265190 IPC G01C 23/00) (SPS) aircraft (LA), which includes navigation sensors and systems operating on various physical principles (including satellite navigation system), as well as computational -logical blocks of an integrated system that provide information exchange between sensors and systems and the calculation of the necessary parameters of the state of the aircraft: block compensation of errors of the SSC; unit for forming aircraft state parameters; a residual formation unit providing comparison of the same type of information coming from various meters. A limitation of the invention is an excessive set of complex and expensive elements and, as a consequence, the complexity and high cost of the entire system as a whole, and in particular, a fundamental inoperability with a much cheaper small-sized SINS with "coarse" sensitive elements (SE).

Известен навигационный комплекс ЛА (патент РФ №2293950, МПК G01C 23/00) для определения координат местоположения и параметров движения ЛА, запускаемых с подвижного носителя. Навигационный комплекс ЛА содержит БИНС, измеритель составляющих ускорения носителя и составляющих угловой скорости носителя, запоминающее устройство, вычислитель оценок углов ориентации ЛА относительно носителя, вычислитель курса, крена и тангажа летательного аппарата. При этом первый вход запоминающего устройства соединен с выходом измерителя составляющих ускорения носителя и составляющих угловой скорости носителя. Первый вход вычислителя курса, крена и тангажа ЛА связан каналом передачи данных об углах ориентации носителя с измерителем углов ориентации носителя.Known aircraft navigation system (RF patent No. 2293950, IPC G01C 23/00) for determining location coordinates and motion parameters of aircraft launched from a mobile carrier. The aircraft navigation system contains SINS, a meter for the components of the acceleration of the carrier and components of the angular velocity of the carrier, a memory, a calculator for estimating the angles of orientation of the aircraft relative to the carrier, a calculator for heading, roll and pitch of the aircraft. In this case, the first input of the storage device is connected to the output of the meter of the components of the acceleration of the medium and the components of the angular velocity of the medium. The first input of the course calculator, roll and pitch of the aircraft is connected by a data transmission channel about the angles of orientation of the medium with a meter of angles of orientation of the medium.

Ограничением этого изобретения является отказ от применения внешних средств комплексирования (в первую очередь СНС) с внешней информацией о скорости и координатах аппарата и, как следствие, узость его применения на кратковременно работающих ЛА, запускаемых с подвижного носителя, а не на постоянно работающих самих подвижных носителях. И этот комплекс также неработоспособен с малогабаритными БИНС с «грубыми» ЧЭ, а может работать с БИНС с бескарданными инерциальными измерительными модулями.A limitation of this invention is the rejection of the use of external means of aggregation (primarily SNA) with external information about the speed and coordinates of the device and, as a result, the narrowness of its use on short-term aircraft, launched from a mobile carrier, and not on the constantly working mobile carriers . And this complex is also inoperative with small-sized SINS with "coarse" CE, and can work with SINS with gimballess inertial measuring modules.

Использование малогабаритных БИНС с «грубыми» ЧЭ типа MEMS (Microelectromechanical System - микроэлектронных механических систем) описано в целом ряде патентов США корпорации American GNC, например, в ряде патентов о микро-(малогабаритных) инерциальных измерительных устройствах (ИИУ) (патенты США №№6671648, 6522992, 6516283) и о способах обработки измерений параметров движения с их применением (патенты США №№6697758, 6651027, 6494093, 6473713, 6427131). Основное внимание в этих патентах уделено представлению преимуществ по сравнению с «обычными», традиционными ИИУ дешевого микроблока ИИУ на «грубых» ЧЭ в БИНС с вычислительной навигационной платформой с применением в ней, в том числе, контуров демпфирования и других корректирующих средств, включая СНС (по-американски GPS - global positioning system).The use of small-sized SINS with "coarse" CE type MEMS (Microelectromechanical System - Microelectronic Mechanical Systems) is described in a number of US patents of American GNC Corporation, for example, in a number of patents on micro- (small-sized) inertial measuring devices (IIU) (US Patent Nos. 6671648, 6522992, 6516283) and methods of processing measurements of motion parameters with their application (US Pat. Nos. 6,697,758, 6,610,227, 6494093, 6473713, 6427131). The main focus of these patents is on the presentation of advantages compared to “conventional”, traditional AIUs of a cheap AIU microblock on “rough” CEs in SINS with a computational navigation platform using, among other things, damping circuits and other corrective means, including SNA ( American GPS - global positioning system).

Однако предлагаемые схемы БИНС избыточны по используемым наборам датчиковых систем и из-за этого неоптимальны по соотношению качество/цена, и, кроме того, там используют только одну вычислительную навигационную платформу.However, the proposed SINS schemes are redundant in terms of the used sets of sensor systems and because of this, they are not optimal in terms of quality / price ratio, and, in addition, they use only one computing navigation platform.

В патенте США №6408245 (2002) той же корпорации American GNC представлен способ фильтрации с помощью мастер-фильтра для высоконадежной оптимальной интеграции (смешивания, комплексирования) фильтрованных сигналов приемника СНС, временами не столь достоверной, с фильтрованными сигналами более надежных ИИУ, в том числе дешевых микроИИУ с дополнительно предлагаемым избыточным для надежности и резервирования количеством ЧЭ. Но в описании изобретения нет упоминания систем демпфирования инерциальных ошибок в единственной навигационной платформе.In US patent No. 6408245 (2002) of the same American GNC Corporation, a filtering method using a master filter is presented for highly reliable optimal integration (mixing, complexing) of filtered SNA receiver signals, sometimes not so reliable, with filtered signals of more reliable IIAs, including cheap microIIU with the additionally proposed excess amount of SE for reliability and redundancy. But in the description of the invention there is no mention of damping systems of inertial errors in a single navigation platform.

При использовании «грубых» ЧЭ (дрейф гироскопов 0,1…1 о/с) в традиционной БИНС возникают большие ошибки, которые приводят к практической расходимости навигационного решения, так что для «грубых» ЧЭ необходимо использовать нетрадиционные методы построения БИНС.When using “coarse” CEs (drift of gyroscopes 0.1 ... 1 o / s) in a traditional SINS, large errors occur that lead to practical divergence of the navigation solution, so for “coarse” SEs it is necessary to use non-traditional methods of constructing SINS.

Наиболее близким аналогом к предлагаемому устройству системы является устройство для БИНС на микромеханических ЧЭ низкой точности, подробно описанное в разделе 10 на стр.214-232 и представленное на блок-схемах Фиг.10.2 (С.217) и Фиг.10.3 (С.220) этого раздела в англоязычной монографии автора-заявителя предлагаемого устройства системы Oleg Salychev, Applied Inertial Navigation: Problems and Solutions, BMSTU Press, Moscow, Russia, 2004.The closest analogue to the proposed system device is a device for SINS on micromechanical CEs of low accuracy, described in detail in section 10 on pages 214-232 and presented on the block diagrams of Figure 10.2 (C.217) and Figure 10.3 (C.220 ) of this section in the English monograph of the author-applicant of the proposed device system Oleg Salychev, Applied Inertial Navigation: Problems and Solutions, BMSTU Press, Moscow, Russia, 2004.

Данная система осуществляет демпфирование ошибок БИНС с использованием в том числе сигналов СНС. Но там представлена одна вычислительная навигационная платформа и нет мастер-фильтра.This system performs damping of SINS errors using, among other things, SNA signals. But there is one computational navigation platform and there is no master filter.

Важнейшими недостатками рассматриваемого аналога являются:The most important disadvantages of this analogue are:

- задержка в выдаче навигационной информации от СНС (в данном случае скорости), что является существенным при осуществлении быстрого маневра летательного аппарата и приводит к возмущенному режиму демпфированной вычислительной платформы;- a delay in the issuance of navigation information from the SNA (in this case, speed), which is essential in the implementation of the quick maneuver of the aircraft and leads to the disturbed mode of the damped computing platform;

- при осуществлении маневра летательного аппарата по крену (30 и более градусов) возможна резкая смена геометрии наблюдаемых спутников, что иногда приводит к непредсказуемым скачкам в спутниковой навигационной информации и, в свою очередь, возмущает вычислительную платформу;- during the roll maneuver of the aircraft (30 degrees or more), a sharp change in the geometry of the observed satellites is possible, which sometimes leads to unpredictable jumps in satellite navigation information and, in turn, disturbs the computing platform;

- полеты в некоторых сложных районах (например, горы, особенно в вертолетном режиме эксплуатации) требуют обеспечения навигационной информации при кратковременном отсутствии сигналов от СНС;- flights in some difficult areas (for example, mountains, especially in helicopter operation) require the provision of navigation information with a short-term absence of signals from the SNA;

- для многих навигационных задач требуется определение углов ориентации при полном отсутствии сигналов от СНС (полярные районы и т.д.), что невозможно реализовать на низкоточных чувствительных элементах (через 5-10 минут ошибки ориентации достигнут 15…20 градусов).- for many navigation tasks, determination of orientation angles is required in the complete absence of signals from the SNA (polar regions, etc.), which cannot be implemented on low-current sensitive elements (after 5-10 minutes, orientation errors will reach 15 ... 20 degrees).

Таким образом, главная задача изобретения - существенное повышение точности определения (при различных режимах полета в реальном времени) полной совокупности навигационных параметров носителя дешевой БИНС с микроИИУ на «грубых» ЧЭ.Thus, the main objective of the invention is a significant increase in the accuracy of determining (with different flight modes in real time) the full set of navigation parameters of the carrier cheap SINS with microIIU on "rough" SE.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Предлагаемое изобретение позволяет избежать указанных недостатков, т.е. повышает точность комплексной системы (точность счисления навигационных параметров) для различных режимов полета транспортного средства, а также для различных условий окружающей среды (горы, высокие широты и т.д.). Технический результат достигают тем, что в БИНС реализуют преимущественно три вычислительных навигационных платформы, каждая из которых имеет свой закон управления (демпфирование инерциальных ошибок по собственному закону), зависящий от параметров движения летательного аппарата, а именно: крена, производной (скорости изменения) курса, горизонтальных составляющих линейного ускорения носителя, также от качества информации внешнего источника (СНС) по отношению к системе, а принимающий выходные сигналы платформ мастер-фильтр осуществляет их оптимальную (в среднеквадратическом смысле) финальную комбинацию.The present invention avoids these disadvantages, i.e. increases the accuracy of the integrated system (the accuracy of the calculation of navigation parameters) for various flight modes of the vehicle, as well as for various environmental conditions (mountains, high latitudes, etc.). The technical result is achieved by the fact that in the SINS they mainly sell three computational navigation platforms, each of which has its own control law (damping of inertial errors according to its own law), depending on the parameters of the aircraft’s movement, namely, roll, derivative (rate of change) of the course, horizontal components of linear acceleration of the medium, also from the quality of information of an external source (SNA) with respect to the system, and the master filter that receives the output signals of the platforms performs their optimum (in the mean square sense) the final combination.

Для достижения технического результата устройство предлагаемой системы содержит блок ЧЭ из трех акселерометров и трех датчиков угловых скоростей (ДУС) по трем ортогональным осям, приемник СНС, блок определения качества измерений СНС (сокращенно: блок качества СНС), блок измерения (или определения) параметров движения носителя (сокращенно: блок параметров движения), несколько (преимущественно три) вычислительных платформ, мастер-фильтр. Выходы сигналов блока ЧЭ соединены с соответствующими входами платформ, выходы сигналов которых, а именно углов крена и тангажа со всех трех платформ, а также угол курса, географические координаты и составляющие линейной скорости со второй платформы, соединены с соответствующими входами мастер-фильтра. Выход сигналов приемника СНС, а именно путевого угла (для определения угла курса), географических координат и составляющих линейной скорости, соединен с соответствующими входами блока качества СНС, второй платформы и мастер-фильтра. Выход блока качества СНС соединен с соответствующими входами второй платформы и мастер-фильтра. Выход блока параметров движения соединен с соответствующими входами блока качества СНС, платформ и мастер-фильтра. Выходы мастер-фильтра (сигналы углов ориентации, географических координат и составляющих линейной скорости) являются выходами всего устройства системы.To achieve a technical result, the device of the proposed system comprises a unit of three accelerometers and three angular velocity sensors (DLS) along three orthogonal axes, a SNA receiver, a block for determining the quality of measurements of the SNA (in short: a block for the quality of the SNA), a block for measuring (or determining) motion parameters media (in abbreviated form: block of motion parameters), several (mainly three) computing platforms, master filter. The signal outputs of the CE block are connected to the corresponding inputs of the platforms, the signal outputs of which, namely, the roll and pitch angles from all three platforms, as well as the course angle, geographical coordinates and linear velocity components from the second platform, are connected to the corresponding inputs of the master filter. The output of the signals of the SNA receiver, namely the track angle (for determining the course angle), geographical coordinates and linear velocity components, is connected to the corresponding inputs of the SNA quality block, the second platform and the master filter. The output of the SNS quality block is connected to the corresponding inputs of the second platform and the master filter. The output of the motion parameter block is connected to the corresponding inputs of the SNA quality block, platforms, and the master filter. The outputs of the master filter (signals of orientation angles, geographical coordinates, and linear velocity components) are the outputs of the entire system device.

Базовые варианты реализации платформ и мастер-фильтра следующие.The basic options for implementing platforms and the master filter are as follows.

Первая платформа содержит следующие блоки: блок пересчета ускорений из связанной в навигационную систему координат, блок вычисления линейных и угловых скоростей навигационной системы координат (сокращенно: блок вычисления скоростей), первый и второй блоки кватернионных вычислений (сокращенно: кватернионные блоки), блок вычисления матрицы направляющих косинусов и вычисления углов ориентации (сокращенно: блок матрицы и углов), блок формирования сигналов демпфирования (сокращенно: блок демпфирования). Выход сигналов линейных ускорений блока ЧЭ соединен с соответствующим входом блока пересчета ускорений, выход которого соединен со входом блока вычисления скоростей и соответствующим входом блока демпфирования. Другой вход блока демпфирования соединен с выходом блока параметров движения. Выход сигналов угловых скоростей блока ЧЭ соединен с соответствующим входом первого кватернионного блока, выход которого соединен с соответствующим входом второго кватернионного блока, другие входы которого также соединены с выходами сигналов угловых скоростей блока вычисления скоростей и блока демпфирования. Выход второго кватернионного блока соединен со входом блока матрицы и углов и с соответствующим входом обратной связи первого кватернионного блока. Выход сигнала матрицы соединен с соответствующим входом блока пересчета ускорений. Выходы углов являются выходами платформы.The first platform contains the following blocks: a block for calculating accelerations from a coordinate system connected to the navigation system, a block for calculating the linear and angular velocities of the navigation coordinate system (for short: a block for calculating speeds), the first and second blocks for quaternion calculations (for short: a quaternion blocks), a block for calculating the guide matrix cosines and calculation of orientation angles (for short: matrix block and angles), damping signal generation block (for short: damping block). The output of the linear acceleration signals of the CE block is connected to the corresponding input of the acceleration conversion unit, the output of which is connected to the input of the speed calculation unit and the corresponding input of the damping unit. Another input of the damping unit is connected to the output of the block of motion parameters. The output of the angular velocity signals of the SE block is connected to the corresponding input of the first quaternion block, the output of which is connected to the corresponding input of the second quaternion block, the other inputs of which are also connected to the outputs of the angular velocity signals of the velocity calculation unit and the damping unit. The output of the second quaternion block is connected to the input of the matrix block and the angles and to the corresponding feedback input of the first quaternion block. The matrix signal output is connected to the corresponding input of the acceleration conversion unit. The outputs of the corners are the outputs of the platform.

Третья платформа, аналогично первой платформе, содержит блок пересчета ускорений, блок вычисления скоростей, первый и второй кватернионные блоки, блок матрицы и углов, блок демпфирования, а также дополнительно адаптивный фильтр Калмана. Выход сигналов линейных ускорений блока ЧЭ соединен с соответствующим входом блока пересчета ускорений, выход которого соединен со входом блока вычисления скоростей и соответствующим входом фильтра Калмана, выход которого соединен с соответствующими входами блока матрицы и углов и блока демпфирования. Другие входы блока фильтра Калмана и блока демпфирования соединены с выходом блока параметров движения. Выход сигналов угловых скоростей блока ЧЭ соединен с соответствующим входом первого кватернионного блока, выход которого соединен с соответствующим входом второго кватернионного блока, другие входы которого также соединены с выходами сигналов угловых скоростей блока вычисления скоростей и блока демпфирования. Выход второго кватернионного блока соединен со входом блока матрицы и углов и с соответствующим входом обратной связи первого кватернионного блока. Выход сигнала матрицы соединен с соответствующим входом блока пересчета ускорений. Выходы углов являются выходами третьей платформы.The third platform, similar to the first platform, contains an acceleration conversion unit, a speed calculation unit, first and second quaternion blocks, a matrix and angle block, a damping unit, as well as an additional Kalman adaptive filter. The output of the linear acceleration signals of the SE unit is connected to the corresponding input of the acceleration conversion unit, the output of which is connected to the input of the speed calculation unit and the corresponding input of the Kalman filter, the output of which is connected to the corresponding inputs of the matrix and angle block and the damping unit. Other inputs of the Kalman filter block and the damping block are connected to the output of the motion parameter block. The output of the angular velocity signals of the SE block is connected to the corresponding input of the first quaternion block, the output of which is connected to the corresponding input of the second quaternion block, the other inputs of which are also connected to the outputs of the angular velocity signals of the velocity calculation unit and the damping unit. The output of the second quaternion block is connected to the input of the matrix block and the angles and to the corresponding feedback input of the first quaternion block. The matrix signal output is connected to the corresponding input of the acceleration conversion unit. The outputs of the corners are the outputs of the third platform.

Вторая платформа, аналогично первой платформе, содержит блок пересчета ускорений, блок вычисления скоростей, первый и второй кватернионные блоки, блок матрицы и углов, блок демпфирования, а также дополнительно блок вычисления координат. Выход сигналов линейных ускорений блока ЧЭ соединен с соответствующим входом блока пересчета ускорений, выход которого соединен со входом блока вычисления скоростей и с соответствующим входом блока демпфирования, другой вход которого соединен с выходом блока параметров движения. Выход сигналов угловых скоростей блока ЧЭ соединен с соответствующим входом первого кватернионного блока, выход которого соединен с соответствующим входом второго кватернионного блока, другие входы которого также соединены с выходами сигналов угловых скоростей блока вычисления скоростей и блока демпфирования. Выход сигнала линейной скорости блока вычисления скоростей соединен со входом блока вычисления координат. Выход блока приемника СНС соединен с соответствующими входами блока демпфирования и блока координат. Выход блока качества СНС соединен с соответствующим входом блока демпфирования. Выход второго кватернионного блока соединен с соответствующим входом обратной связи первого кватернионного блока и с соответствующим входом блока матрицы и углов. Выход сигнала матрицы соединен с соответствующим входом блока пересчета ускорений. Выходы углов, географических координат и составляющих линейной скорости являются выходами второй платформы.The second platform, similar to the first platform, contains an acceleration conversion unit, a speed calculation unit, first and second quaternion blocks, a matrix and angle block, a damping unit, and also an additional coordinate calculation unit. The output of the linear acceleration signals of the SE block is connected to the corresponding input of the acceleration conversion unit, the output of which is connected to the input of the speed calculation unit and to the corresponding input of the damping unit, the other input of which is connected to the output of the motion parameter block. The output of the angular velocity signals of the SE block is connected to the corresponding input of the first quaternion block, the output of which is connected to the corresponding input of the second quaternion block, the other inputs of which are also connected to the outputs of the angular velocity signals of the velocity calculation unit and the damping unit. The output of the linear velocity signal of the speed calculation unit is connected to the input of the coordinate calculation unit. The output of the SNA receiver unit is connected to the corresponding inputs of the damping unit and the coordinate unit. The output of the SNA quality block is connected to the corresponding input of the damping block. The output of the second quaternion block is connected to the corresponding feedback input of the first quaternion block and to the corresponding input of the matrix block and angles. The matrix signal output is connected to the corresponding input of the acceleration conversion unit. The outputs of angles, geographical coordinates and linear velocity components are outputs of the second platform.

Мастер-фильтр содержит блок определения весовых коэффициентов для углов крена и тангажа, блок определения выходных сигналов углов крена и тангажа (сокращенно блок углов крена и тангажа), а также блок формирования выходных сигналов угла курса; географических координат и составляющих линейной скорости (сокращенно блок угла курса, координат и скоростей). Входы блока весовых коэффициентов соединены с соответствующими выходами блока параметров движения и углов крена и тангажа с трех платформ. Выход блока весовых коэффициентов соединен со входом блока углов крена и тангажа. Входы блока угла курса, координат и скоростей соединены с соответствующими выходами сигналов угла курса, координат и скоростей второй платформы и приемника СНС, а также с выходом блока качества СНС. Выходы блока углов крена и тангажа и блока угла курса, координат и скоростей являются выходами мастер-фильтра и всего устройства системы в целом.The master filter contains a unit for determining weight coefficients for roll and pitch angles, a unit for determining output signals of roll and pitch angles (for short, a block of roll and pitch angles), as well as a unit for generating output signals of the heading angle; geographical coordinates and linear velocity components (in abbreviated form, the block of the course angle, coordinates and speeds). The inputs of the weighting block are connected to the corresponding outputs of the block of motion parameters and roll and pitch angles from three platforms. The output of the weighting unit is connected to the input of the roll angle and pitch angle block. The inputs of the heading angle block, coordinates and speeds are connected to the corresponding outputs of the heading angle signals, coordinates and speeds of the second platform and the SNA receiver, as well as with the output of the SNA quality block. The outputs of the block of roll and pitch angles and the block of the heading angle, coordinates and speeds are the outputs of the master filter and the entire device of the system as a whole.

Перечень чертежейList of drawings

Фиг.1. Блок-схема верхнего уровня иерархии устройства предлагаемой системы.Figure 1. The block diagram of the upper level of the hierarchy of the device of the proposed system.

Фиг.2. Блок-схема устройства 1-й вычислительной платформы.Figure 2. Block diagram of the device of the 1st computing platform.

Фиг.3. Блок-схема устройства 3-й вычислительной платформы.Figure 3. Block diagram of the device of the 3rd computing platform.

Фиг.4. Блок-схема устройства 2-й вычислительной платформы.Figure 4. Block diagram of the device of the 2nd computing platform.

Фиг.5. Блок-схема устройства мастер-фильтра.Figure 5. Block diagram of the master filter device.

Фиг.6, 7. Сравнение показаний параметров крена и тангажа, полученных предлагаемым устройством, прототипным устройством и эталонной системой.6, 7. Comparison of the readings of the parameters of the roll and pitch obtained by the proposed device, a prototype device and a reference system.

Осуществление изобретенияThe implementation of the invention

На фиг.1…5 блоки системы имеют следующую сквозную нумерацию: 1 - блок чувствительных элементов трех акселерометров и трех датчиков угловых скоростей по трем ортогональным осям, 2 - приемник СНС, 3 - блок определения качества измерений СНС, 4 - блок измерения параметров движения носителя системы, 5, 6, 7 - соответственно первая, третья и вторая вычислительные платформы, 8 - мастер-фильтр; в первой вычислительной платформе 5: 9 - блок пересчета ускорений из связанной в навигационную систему координат, 10 - блок вычисления линейных и угловых скоростей навигационной системы координат, 11, 12 - первый и второй блоки кватернионных вычислений, 13 - блок вычисления матрицы направляющих косинусов и вычисления углов ориентации, 14 - блок формирования сигналов демпфирования; в третьей вычислительной платформе 6: 15 - блок пересчета ускорений из связанной в навигационную систему координат, 16 - блок вычисления линейных и угловых скоростей навигационной системы координат, 17, 18 - первый и второй блоки кватернионных вычислений, 19 - блок вычисления матрицы направляющих косинусов и вычисления углов ориентации, 20 - блок формирования сигналов демпфирования; 21 - адаптивный фильтр Калмана; во второй вычислительной платформе 7: 22 - блок пересчета ускорений из связанной в навигационную систему координат, 23 - блок вычисления линейных и угловых скоростей навигационной системы координат, 24, 25 - первый и второй блоки кватернионных вычислений, 26 - блок вычисления матрицы направляющих косинусов и вычисления углов ориентации, 27 - блок формирования сигналов демпфирования; 28 - блок вычисления координат; в мастер-фильтре 8: 29 - блок определения весовых коэффициентов для углов крена и тангажа, 30 - блок определения выходных сигналов углов крена и тангажа, 31 - блок формирования выходных сигналов угла курса; географических координат и составляющих линейной скорости.In Fig. 1 ... 5, the system blocks have the following end-to-end numbering: 1 - a block of sensitive elements of three accelerometers and three angular velocity sensors along three orthogonal axes, 2 - a SNA receiver, 3 - a block for determining the quality of SNA measurements, 4 - a block for measuring carrier motion parameters systems, 5, 6, 7 - respectively, the first, third and second computing platforms, 8 - master filter; in the first computing platform, 5: 9 is a block for recalculation of accelerations from the coordinate system connected to the navigation system, 10 is a block for calculating linear and angular velocities of the navigation coordinate system, 11, 12 is the first and second blocks of quaternion calculations, 13 is a block for calculating the matrix of guiding cosines and calculations orientation angles, 14 — damping signal generation block; in the third computing platform, 6: 15 - a unit for converting accelerations from the coordinate system connected to the navigation system, 16 - a block for calculating linear and angular velocities of the navigation coordinate system, 17, 18 - the first and second blocks of quaternion calculations, 19 - a block for calculating the matrix of guiding cosines and calculations orientation angles, 20 — damping signal generation block; 21 - adaptive Kalman filter; in the second computing platform, 7: 22 - a unit for converting accelerations from the coordinate system connected to the navigation system, 23 - a unit for calculating linear and angular velocities of the navigation coordinate system, 24, 25 - the first and second blocks of quaternion calculations, 26 - a block for calculating the matrix of guiding cosines and calculations orientation angles, 27 — damping signal generation block; 28 - block calculation of coordinates; in the master filter 8: 29 - a unit for determining the weight coefficients for the roll and pitch angles, 30 - a unit for determining the output signals of the roll and pitch angles, 31 - a unit for generating the output signals of the heading angle; geographical coordinates and linear velocity components.

На чертежах приняты следующие обозначения сигналов устройства: из блока 1: a_b - ускорение и ω_b - угловая скорость объекта навигации в связанной системе координат. На блок-схемах вычислительных платформ (i=1, 2, 3 соответствует номеру платформы): a_Ni - ускоренней ω_Ni - угловая скорость объекта навигации в навигационной системе координат платформы;

- управляющая угловая скорость для демпфирования ошибок платформы,

- матрица направляющих косинусов; (q₀ q₁ q₂ q₃)_i - кватернион поворота от связанной к навигационной системе координат платформы;

- угол тангажа; γ_i - угол крена; H_i - угол курса. Также:

- оценка ускорения в навигационной системе координат, полученная адаптивным фильтром Калмана третьей платформы; V_ИНС - вектор линейной скорости объекта навигации, вычисленной второй платформой с раскладкой на проекции (составляющие) V_N, V_E, V_UP на оси географической системы координат; координаты: φ - географическая широта; λ - географическая долгота; h - высота. Сигналы приемника СНС: H_CHC - курс (путевой угол); (φ, λ, h)_CHC - географические координаты и высота, (V_N, V_E, V_UP)_CHC - составляющие (проекции) линейной скорости на оси географической системы координат. На блок-схеме мастер-фильтра обозначены: весовые коэффициенты угла тангажа

и угла крена

(i=1, 2, 3),

- выходное значение угла тангажа; γ_f - выходное значение угла крена; H_f - выходное значение угла курса; φ_f - выходное значение географической широты; λ_f - выходное значение географической долготы; h_f - выходное значение высоты; V_Nf, V_Ef V_UPf - выходные значения составляющих (проекций) скорости объекта навигации на оси географической системы координат.In the drawings, the following designations of the device signals are adopted: from block 1: a _b is the acceleration and ω _b is the angular velocity of the navigation object in the associated coordinate system. On the block diagrams of computing platforms (i = 1, 2, 3 corresponds to the platform number): a _Ni — more accelerated; ω _Ni — angular velocity of the navigation object in the platform’s navigation coordinate system;

- control angular velocity for damping platform errors,

- matrix of guide cosines; (q ₀ q ₁ q ₂ q ₃ ) _i - quaternion of rotation from the platform connected to the navigation coordinate system;

- pitch angle; γ _i is the angle of heel; H _i - course angle. Also:

- the acceleration estimate in the navigation coordinate system, obtained by the Kalman adaptive filter of the third platform; V _ANN - the linear velocity vector of the navigation object calculated by the second platform with the layout on the projection (components) V _N , V _E , V _UP on the axis of the geographic coordinate system; coordinates: φ - latitude; λ is the geographical longitude; h is the height. Signals of the SNA receiver: H _CHC - course (ground angle); (φ, λ, h) _CHC - geographical coordinates and height, (V _N , V _E , V _UP ) _CHC - components (projections) of linear velocity on the axis of the geographic coordinate system. On the block diagram of the master filter are indicated: weight coefficients of pitch angle

and roll angle

(i = 1, 2, 3),

- output value of pitch angle; γ _f is the output value of the angle of heel; H _f is the output value of the course angle; φ _f is the output value of geographical latitude; λ _f is the output value of geographic longitude; h _f is the output height value; V _Nf , V _Ef V _UPf - the output values of the components (projections) of the speed of the navigation object on the axis of the geographic coordinate system.

Информационный и сигнальный обмен между входами-выходами блоков осуществляют по линиям связи, показанным на блок-схемах тонкими сплошными линиями. Линии связи представляют собой известные линии связи и информационного обмена, например, по последовательному коду, по параллельному коду, мультиплексные и др. В качестве каналов передачи данных могут использоваться различные цифровые и аналоговые каналы, например, каналы информационного обмена, выполненные в соответствии с ГОСТ 18977-79 (Комплексы бортового оборудования самолетов и вертолетов. Типы функциональных связей. Виды и уровни электрических сигналов).Information and signal exchange between the inputs and outputs of the blocks is carried out along the communication lines shown on the block diagrams by thin solid lines. Communication lines are known lines of communication and information exchange, for example, via serial code, parallel code, multiplex, etc. Various digital and analog channels can be used as data transmission channels, for example, information exchange channels made in accordance with GOST 18977 -79 (Airborne equipment and helicopter complexes. Types of functional connections. Types and levels of electrical signals).

Устройство системыSystem device

Для повышения точности и эффективности работы устройство системы собрано, запрограммировано, отлажено и работает следующим образом.To increase the accuracy and efficiency of the device, the system device is assembled, programmed, debugged and works as follows.

БИНС решает задачу автономного счисления скорости, координат и угловой ориентации объекта на основе измеряемых с помощью гироскопов и акселерометров угловых скоростей и ускорений объекта.BINS solves the problem of autonomous calculating the speed, coordinates and angular orientation of an object based on the measured angular velocities and accelerations of an object using gyroscopes and accelerometers.

По измерениям, поступающим от единственного блока чувствительных элементов, каждая вычислительная платформа формирует собственное навигационное решение. Навигационное решение каждой из вычислительных платформ имеет наименьшие ошибки в своем режиме движения носителя, характеризующемся определенной величиной измеряемых (или определяемых) параметров движения носителя, а именно: угла крена, производной угла курса, горизонтальных составляющих линейного ускорения.According to measurements received from a single block of sensitive elements, each computing platform forms its own navigation solution. The navigation solution of each of the computing platforms has the smallest errors in its carrier movement mode, characterized by a certain value of the measured (or determined) parameters of the carrier movement, namely, the angle of heel, the derivative of the angle of the course, the horizontal components of linear acceleration.

Конкретно для 1-й платформы наименьшая величина ошибок достигается в крейсерском режиме (полет с постоянной скоростью), для 2-й - при малом маневре (γ<30°,

), для 3-й - при сильном маневре (γ>30°,

). При этом указанные выше параметры движения носителя участвуют в формировании величин коэффициентов К, K^b демпфирования ошибок всех вычислительных платформ.Specifically, for the 1st platform, the smallest error is achieved in cruising mode (flying at a constant speed), for the 2nd - with a small maneuver (γ <30 °,

), for the 3rd - with a strong maneuver (γ> 30 °,

) In this case, the above-mentioned parameters of the carrier motion participate in the formation of the values of the coefficients K, K ^{b of the} damping errors of all computing platforms.

Комплексирование навигационных решений платформ позволяет сформировать единое решение, имеющее наименьшие ошибки для всей совокупности режимов полета носителя, фиксируемых его измеряемыми параметрами движения, и таким образом повысить точность определения углов ориентации, географических координат и составляющих линейной скорости. Для повышения точности навигационного решения вводят приемник СНС.The integration of platform navigation solutions allows you to create a single solution that has the smallest errors for the entire set of carrier flight modes recorded by its measured movement parameters, and thus increase the accuracy of determining orientation angles, geographical coordinates and linear velocity components. To increase the accuracy of the navigation solution, the SNA receiver is introduced.

На Фиг.2 представлена функциональная схема первой (1-й) вычислительной платформы. Это базовая платформа, которая работает в своих базовых блоках пересчета ускорений, вычисления скоростей, первом и втором кватернионных блоках, блоке вычисления матрицы направляющих косинусов и углов ориентации. По величинам угловых скоростей ω_b, измеренных датчиками угловой скорости блока 1, рассчитывают элементы кватерниона конечного поворота от связанной системы координат к инерциальной (блок 11), а затем от инерциальной системы координат к навигационной (блок 12). По элементам кватерниона конечного поворота (q₀ q₁ q₂ q₃) в блоке 13 вычисляют элементы матрицы направляющих косинусов

перехода от связанной системы координат к навигационной, а также элементы кватерниона используют в блоке 11 на следующем шаге дискретных вычислений. В блоке 9 при помощи матрицы направляющих косинусов осуществляют пересчет ускорений a_b, измеренных акселерометрами блока 1, в навигационную систему координат:

. Затем в блоке 10 осуществляют вычисление линейных и угловых скоростей навигационной системы координат. Рассчитанные угловые скорости поступают на вход блока 12. Углы ориентации (тангаж, крен и курс) вычисляют в блоке 13 по элементам матрицы направляющих косинусов.Figure 2 presents the functional diagram of the first (1st) computing platform. This is a basic platform that works in its basic units for calculating accelerations, calculating speeds, the first and second quaternion blocks, the unit for calculating the matrix of guiding cosines and orientation angles. According to the angular velocity ω _b, measured angular velocity sensor unit 1, a finite elements calculated from the quaternion rotation related to the inertial coordinate system (block 11) and then from the inertial coordinate system to the navigation (block 12). The elements of the quaternion of the final rotation (q ₀ q ₁ q ₂ q ₃ ) in block 13 calculate the elements of the matrix of guide cosines

the transition from the associated coordinate system to the navigation, as well as the elements of the quaternion are used in block 11 in the next step of discrete calculations. In block 9, using the matrix of guide cosines, the accelerations a _b measured by the accelerometers of block 1 are converted into the navigation coordinate system:

. Then, in block 10, linear and angular velocities of the navigation coordinate system are calculated. The calculated angular velocities arrive at the input of block 12. The orientation angles (pitch, roll, and course) are calculated in block 13 by the elements of the matrix of guide cosines.

Аналогично первой платформе в базовых блоках работают и две другие платформы, хотя у них есть и существенные дополнительные отличия.Two other platforms work similarly to the first platform in the base units, although they have significant additional differences.

Реализация блоков формирования сигналов демпфирования различна для каждой из трех вычислительных платформ, но во всех платформах сформированный в этом блоке сигнал управляющей скорости

поступает во второй блок кватернионных вычислений и участвует в расчете кватерниона поворота от инерциальной системы координат к навигационной.The implementation of damping signal generation blocks is different for each of the three computing platforms, but in all platforms the control speed signal generated in this block

enters the second block of quaternion calculations and participates in the calculation of the quaternion of rotation from the inertial coordinate system to the navigation.

В первой платформе демпфирование ошибок осуществляют с использованием показаний собственных ускорений навигационной системы (выход блока 9). Формирование сигналов демпфирования осуществляют в блоке 14 по следующим уравнениям:In the first platform, error damping is carried out using indications of the own accelerations of the navigation system (block 9 output). The formation of damping signals is carried out in block 14 according to the following equations:

;

,

;

,

;

Здесь обозначены:Indicated here:

,

- проекции управляющей угловой скорости

для демпфирования ошибок платформы,

,

- projections of the control angular velocity

to damp platform errors,

δV_x, δV_y - погрешности определения линейной скорости,δV _x , δV _y - errors in determining the linear velocity,

,

- производные погрешностей определения линейной скорости,

,

- derivatives of the linear velocity determination errors,

,

- проекции ускорения

,

- acceleration projection

a_N навигационной системы координат;a _N navigation coordinate system;

K^b,К - параметры демпфирования (зависят от типа и параметров движения носителя, например: K^b=1(¹/_м), К=4(¹/_c)).K ^b , K - damping parameters (depending on the type and parameters of the carrier movement, for example: K ^b = 1 ( ¹ / _m ), K = 4 ( ¹ / _s )).

Указанные сигналы (

,

) поступают на вход второго кватерниона поворота от инерциальной к навигационной системе координат (блок 12).Indicated signals (

,

) enter the input of the second quaternion of rotation from the inertial to the navigation coordinate system (block 12).

Осуществляемое таким образом автономное демпфирование будет обладать достаточно высокой точностью при крейсерском полете (полет с постоянной скоростью) носителя (авиационного объекта). Однако при осуществлении маневра носителя первая платформа будет возмущаться собственными ускорениями, которые приведут к большим погрешностям в определении углов ориентации. Чтобы избавиться от возмущаемости первой вычислительной платформы при осуществлении маневра носителя, к демпфирующему звену добавлено пороговое устройство, логика которого описывается следующим образом: К=0, если |γ| (крен) > порога или

(производная курса) > порога или |a_N|, |a_E| (горизонтальные составляющие линейного ускорения)>порога. Величины порогов зависят от типа носителя: самолет, реактивный самолет, вертолет, беспилотное средство и т.д.The autonomous damping carried out in this way will have a sufficiently high accuracy during cruising flight (flying at a constant speed) of the carrier (aircraft object). However, when carrying out a carrier maneuver, the first platform will be indignant at its own accelerations, which will lead to large errors in determining orientation angles. To get rid of the perturbation of the first computing platform when carrying out a carrier maneuver, a threshold device is added to the damping link, the logic of which is described as follows: K = 0 if | γ | (roll)> threshold or

(derivative of the course)> threshold or | a _N |, | a _E | (horizontal components of linear acceleration)> threshold. The threshold values depend on the type of carrier: aircraft, jet aircraft, helicopters, unmanned vehicles, etc.

На Фиг.3 приведена функциональная схема третьей вычислительной платформы. Здесь все связи и блоки совпадают с первой вычислительной платформой за исключением введения дополнительного блока адаптивного (к параметрам движения носителя) фильтра Калмана (блок 21), на вход которого поступает ускорение навигационной системы с блока 15, а также введения коррекции ошибок ориентации (выход блока 21 соединен с соответствующим входом блока матрицы и углов 19).Figure 3 shows a functional diagram of a third computing platform. Here, all communications and blocks coincide with the first computing platform, with the exception of the introduction of an additional block of an adaptive (to the media motion parameters) Kalman filter (block 21), the input of which accelerates the navigation system from block 15, and also introduces the correction of orientation errors (block 21 output connected to the corresponding input of the matrix block and angles 19).

Основной особенностью третьей платформы является фильтрация ускорений адаптивным фильтром Калмана, обусловленных маневром летательного средства, и выделение ошибок ориентации вычислительной платформы. При этом в крейсерском режиме движения точность ориентации будет хуже, чем в первой платформе (за счет накопления ошибок при слабом демпфировании), тогда как в сильном маневре точность системы не будет возмущаться собственными ускорениями летательного аппарата. В качестве измерений для адаптивного фильтра Калмана используют показания акселерометров в навигационной системе координат. Отличие адаптивного фильтра Калмана от традиционного заключается в адаптивной подстройке матрицы измерительных шумов в зависимости от квадрата величины обновляемого процесса, зависящего от реальных ошибок оценивания.)The main feature of the third platform is the filtering of accelerations by the Kalman adaptive filter, caused by the maneuver of the aircraft, and the identification of errors in the orientation of the computing platform. Moreover, in the cruising mode of movement, the orientation accuracy will be worse than in the first platform (due to the accumulation of errors with weak damping), while in a strong maneuver the accuracy of the system will not be disturbed by the aircraft’s own accelerations. As measurements for the adaptive Kalman filter, the readings of accelerometers in the navigation coordinate system are used. The difference between the Kalman adaptive filter and the traditional one is the adaptive tuning of the measuring noise matrix depending on the square of the value of the updated process, depending on the real estimation errors.)

Оценки фильтра Калмана поступают на соответствующий вход блока 20, в котором реализуют такие же уравнения демпфирования платформы, как и в первой платформе. При этом существуют следующие отличительные особенности третьей вычислительной платформы:The Kalman filter estimates are received at the corresponding input of block 20, in which the same platform damping equations are implemented as in the first platform. Moreover, there are the following distinctive features of the third computing platform:

- вместо

,

используют оценки фильтра Калмана

,

;- instead

,

use Kalman filter estimates

,

;

- параметры демпфирования на несколько порядков меньше, чем в первой платформе (например, К=0,02 (¹/сек), K^b=10^-5(¹/_м)).- the damping parameters are several orders of magnitude smaller than in the first platform (for example, K = 0.02 ( ¹ / s), K ^b = 10 ^-5 ( ¹ / _m )).

По оценкам адаптивного фильтра Калмана рассчитывают оценки ошибки ориентации платформы в горизонте как

и

, (где g - ускорение свободного падения), после чего в блоке 19 происходит коррекция матрицы направляющих косинусов

, какAccording to the Kalman adaptive filter estimates, estimates of the platform orientation error in the horizon are calculated as

and

, (where g is the gravitational acceleration), after which, in block 19, the matrix of guide cosines is corrected

, as

где

(исходная) - исходная матрица направляющих косинусов,Where

(source) - the source matrix of guide cosines,

(корректируемая) - скорректированная матрица направляющих косинусов.

(adjustable) - the adjusted matrix of guide cosines.

На Фиг.4 представлена функциональная схема второй вычислительной платформы. Здесь все традиционные блоки и связи совпадают с первой вычислительной платформой, но также введены дополнительные связи от блока 2 приемника СНС, блока 3 определения качества измерений СНС, блока 4 параметров движения и введен блок 28 вычисления координат.Figure 4 presents a functional diagram of a second computing platform. Here, all the traditional blocks and communications coincide with the first computing platform, but additional communications from the SNA receiver unit 2, the SNA measurement quality determination unit 3, the motion parameter block 4 are also introduced, and the coordinate calculation unit 28 is introduced.

Демпфирование ошибок производят по разности ускорений инерциальной навигационной системы (ИНС) и СНС, для чего в блоке 27 реализуют следующий алгоритм формирования сигналов демпфирования:Error damping is performed according to the difference between the accelerations of the inertial navigation system (ANN) and the SNA, for which purpose, in block 27, the following algorithm for generating damping signals is implemented:

,

где К, K^b - коэффициенты демпфирования (величины зависят от параметров движения носителя);where K, K ^b are the damping coefficients (the values depend on the parameters of the carrier motion);

,

- проекции управляющей угловой скорости на оси навигационной системы координат,

,

- projection of the control angular velocity on the axis of the navigation coordinate system,

,

- derivatives of the linear velocity determination errors,

,

- оценки погрешностей определения ускорения,

,

- estimates of errors in determining acceleration,

,

.

Здесь а^Е(ИНС), a^N(ИНС) - проекции ускорения ИНС(выход блока 22),Here a ^E (ANN), a ^N (ANN) are the projections of the acceleration of the ANN (block 22 output),

а^Е(СНС), a^N(СНС) - проекции ускорения СНС (выход блока 2),and ^E (SNA), a ^N (SNA) - projection of the acceleration of the SNA (output of block 2),

Δа^Е(ИНС), Δa^N(ИНС) - приращения ускорении инерциальной навигационной системы,Δa ^E (ANN), Δa ^N (ANN) - increments of the acceleration of the inertial navigation system,

K_H - коэффициент, зависящий от типа носителя.K _H is a coefficient depending on the type of carrier.

Данная схема формирования разности ускорений учитывает запаздывание, присущее показаниям СНС.This scheme of the formation of the difference in accelerations takes into account the delay inherent in the readings of the SNA.

Блок 3 определения качества измерений СНС выполняет следующую задачу: определить качество поступающего от СНС сигнала и тем самым определить возможность использования его в дальнейших вычислениях. Качество сигнала СНС определяют по величине DOP (Dilution of Precision, снижение точности). Величина DOP характеризует геометрию расположения спутников относительно антенны приемника. Чем больше величина DOP, тем ближе друг к другу расположены спутники и, следовательно, тем ниже точность получаемых навигационных параметров. Оптимальной считается величина DOP менее 6. При величине DOP>20 информация СНС в дальнейших расчетах не используется.Block 3 determining the quality of measurements of the SNA performs the following task: to determine the quality of the signal received from the SNA and thereby determine the possibility of using it in further calculations. The quality of the SNA signal is determined by the value of DOP (Dilution of Precision, decrease in accuracy). The value of DOP characterizes the geometry of the location of the satellites relative to the antenna of the receiver. The higher the DOP value, the closer the satellites are to each other and, therefore, the lower the accuracy of the obtained navigation parameters. The optimal value is considered a DOP value of less than 6. At a value of DOP> 20, SNA information is not used in further calculations.

В блоке 28 также осуществляют демпфирование канала высоты h от СНС по следующим рекуррентным уравнениям:In block 28 also carry out the damping of the channel of height h from the SNA according to the following recurrence equations:

,

где a_up - вертикальная составляющая ускорения от ИНС,where a _up is the vertical component of the acceleration from the ANN,

T - период дискретизации,T is the sampling period,

с₁, с₂ - коэффициенты демпфирования (величиныпорядка 10^-3..10^-4),s ₁ , s ₂ - damping coefficients (values of the order of 10 ^-3 ..10 ^-4 ),

h(CHC) - высота от приемника СНС.h (CHC) is the height from the receiver of the SNA.

Навигационные решения вычислительных платформ 5, 6, 7 (значения углов крена и тангажа со всех платформ, а также курса, горизонтальных координат и высоты, составляющих линейной скорости со второй платформы) поступают на вход мастер-фильтра 8, который осуществляет комбинацию индивидуальных решений в зависимости от параметров движения носителя из блока 4.Navigation solutions of computing platforms 5, 6, 7 (roll and pitch angles from all platforms, as well as course, horizontal coordinates and heights, components of linear speed from the second platform) are received at the input of master filter 8, which implements a combination of individual solutions depending from the motion parameters of the carrier from block 4.

Функциональная схема реализации мастер-фильтра представлена на Фиг.5. Здесь в блоке 29 осуществляют расчет весовых коэффициентов

,

где i=1, 2, 3. Величины коэффициентов зависят от параметров движения носителя и от точности определения углов ориентации каждой из платформ. При этом

,

что обеспечивает несмещенность финальных оценок углов.Functional diagram of the implementation of the master filter is presented in Figure 5. Here, in block 29, weight coefficients are calculated

,

where i = 1, 2, 3. The values of the coefficients depend on the parameters of the carrier motion and on the accuracy of determining the orientation angles of each platform. Wherein

,

which ensures the non-bias of the final angle estimates.

Здесь, например, для угла крена:Here, for example, for a roll angle:

;

,

где

,

- дисперсии погрешностей определения углов крена для каждой из трех платформ, зависящие от маневра летательного аппарата (быстрый маневр:

, средний маневр

, крейсерский полет

) и наличия спутниковой информации (определяют по величине DOP в блоке 3). В случае отсутствия сигнала СНС:

и

.Where

,

- variance of errors in determining the angle of heel for each of the three platforms, depending on the maneuver of the aircraft (quick maneuver:

average maneuver

cruising flight

) and the availability of satellite information (determined by the value of DOP in block 3). In the absence of a signal of the SNA:

and

.

Коэффициенты,

,

рассчитывают аналогично.Odds

,

calculated similarly.

Параметры быстрого, среднего маневра и крейсерского полета зависят от типа летательного аппарата. Дисперсии погрешностей зависят не только от маневра летательного аппарата, но и от точности ЧЭ.Parameters of fast, medium maneuver and cruise flight depend on the type of aircraft. Dispersion of errors depends not only on the maneuver of the aircraft, but also on the accuracy of the SE.

Затем в блоке 30 осуществляют определение выходных сигналов в следующем виде (например, для угла тангажа):Then, in block 30, the output signals are determined in the following form (for example, for pitch angle):

.

Величины параметров движения носителя (блок 4) также влияют на степень доверия к качеству измерений СНС (блок 3), и при степени доверия ниже пороговой информация приемника СНС (блок 2) в формировании выходных сигналов в блоке 31 не участвует.The values of the media movement parameters (block 4) also affect the degree of confidence in the quality of SNA measurements (block 3), and if the degree of confidence is lower than the threshold information of the SNA receiver (block 2), it does not participate in the formation of output signals in block 31.

Выходные значения курса, горизонтальных координат, высоты, составляющих линейной скорости формируют в блоке 31 следующим образом (на примере угла курса):The output values of the course, horizontal coordinates, altitude, components of the linear velocity are formed in block 31 as follows (using the example of the course angle):

H_f=H₂-K·(H₂-H_CHC)_filt H _f = H ₂ -K · (H ₂ -H _CHC ) _filt

где Н₂ - показания курса со второй вычислительной платформы 7;where H ₂ - course readings from the second computing platform 7;

H_CHC - показания курса (путевого угла) с блока 2 приемника СНС,H _CHC - readings of the course (track angle) from block 2 of the SNA receiver,

K·(H₂-H_CHC)_filt - разность показаний после фильтрации с помощью фильтра низких частот из блока 31.K · (H ₂ -H _CHC ) _filt - the difference between the readings after filtering using a low-pass filter from block 31.

В качестве фильтров низких частот применяют, например, адаптивные фильтры Калмана, коэффициенты К которых меняются в зависимости от параметров движения носителя: угла крена и производной курса.As low-pass filters, for example, adaptive Kalman filters are used, the coefficients K of which vary depending on the parameters of the carrier motion: the angle of heel and the derivative of the course.

Выходы мастер-фильтра 8 являются выходами всего устройства и содержат информацию о финальных навигационных параметрах:The outputs of the master filter 8 are the outputs of the entire device and contain information about the final navigation parameters:

- углах ориентации: тангажа, крена, курса;- orientation angles: pitch, roll, course;

- географических координатах широты, долготы, высоты;- geographical coordinates of latitude, longitude, altitude;

- трех составляющих линейной скорости носителя относительно Земли.- three components of the linear velocity of the carrier relative to the Earth.

Данное устройство реализовано в серийно выпускаемой интегрированной инерциальной системе КомпаНав-2 (разработка ООО «ТеКнол» (Россия)), которая прошла аттестацию по точностным характеристикам в ЛИИ им. Громова (г.Жуковский Московской области, Россия).This device is implemented in a commercially available integrated inertial system CompaNav-2 (developed by TeKnol LLC (Russia)), which has been certified for accuracy in the LII named after Gromova (Zhukovsky, Moscow Region, Russia).

На Фиг.6, 7 представлена реализация показаний системы КомпаНав-2 по крену, тангажу и эталонный сигнал системы (БИНС И-42 на лазерных ДУС). Кроме того, приведено традиционное решение системы БИНС прототипа с одной вычислительной платформой.Fig.6, 7 presents the implementation of the indications of the CompAnav-2 system for roll, pitch and the reference signal of the system (SINS I-42 on laser TLS). In addition, a traditional solution of the SINS prototype system with one computing platform is presented.

На графиках представлены реализации работ сравниваемых систем во всех основных режимах полета: А) - в крейсерском, В) - в быстром маневре (с большим углом крена) и С) - в среднем маневре (при малом крене) ЛА - носителя системы. На графиках вертикальными штриховыми линиями выделены и отмечены буквами А, В, С соответствующие участки графиков для каждого режима полета.The graphs show the implementation of the systems being compared in all the main flight modes: A) in cruising, B) in fast maneuver (with a large roll angle) and C) in the average maneuver (with a small roll) of the aircraft carrier system. On the graphs, vertical dashed lines highlight and mark the letters A, B, C corresponding sections of the graphs for each flight mode.

Сравнение показаний систем позволяет сделать вывод о том, что предложенное устройство существенно превышает по точности показания прототипной системы и достаточно близко к работе эталонной системы.A comparison of the readings of the systems allows us to conclude that the proposed device significantly exceeds the readings of the prototype system in accuracy and is close enough to the operation of the reference system.

Claims

1. A complex strap-down inertial-satellite navigation system based on “coarse” sensitive elements (CE), comprising a unit of three accelerometers and three angular velocity sensors along three orthogonal axes, a satellite navigation system (SNA) receiver, a unit for determining the quality of measurements of SNA, a unit measuring (or determining) the parameters of media movement, several (mainly three) computing platforms, a master filter; wherein the signal outputs of the CE block are connected to the corresponding inputs of the platforms, the signal outputs of which, namely the roll and pitch angles from all three platforms, as well as the heading angle, geographical coordinates and linear velocity components from the second platform, are connected to the corresponding inputs of the master filter; the output of the signals of the SNA receiver, namely the track angle (for determining the course angle), geographical coordinates and linear velocity components, is connected to the corresponding inputs of the SNA quality block, the second platform and the master filter; the output of the SNA quality block is connected to the corresponding inputs of the second platform and the master filter; the output signals of the block of motion parameters, namely roll, derivative of the course and horizontal components of the linear acceleration of the carrier, are connected to the corresponding inputs of the quality block of the SNA, platforms and master filter; the outputs of the master filter, namely the signals of orientation angles, geographical coordinates, and linear velocity components, are the outputs of the entire system device.

2. The system according to claim 1, comprising a first platform, comprising a unit for converting accelerations from the coordinate system connected to the navigation system, a linear and angular velocity calculation unit for the navigation coordinate system, a first and second block of quaternion calculations, a block for calculating a matrix of guide cosines and for calculating angles orientation, damping signal generation unit; wherein the output of the linear acceleration signals of the SE block is connected to the corresponding input of the acceleration conversion unit, the output of which is connected to the input of the speed calculation unit and the corresponding input of the damping unit, the other input of which is connected to the output of the motion parameter block; the output of the angular velocity signals of the SE block is connected to the corresponding input of the first quaternion block, the output of which is connected to the corresponding input of the second quaternion block, the other inputs of which are connected to the outputs of the angular velocity signals of the velocity calculation unit and the damping unit; the output of the second quaternion block is connected to the input of the matrix block and the angles and to the corresponding feedback input of the first quaternion block; the matrix signal output of the matrix block and the angles is connected to the corresponding input of the acceleration conversion unit; the outputs of the corners of the matrix block and the angles are the outputs of the first platform.

3. The system according to claim 1, comprising a third platform, comprising a unit for converting accelerations from the coordinate system connected to the navigation system, a unit for calculating linear and angular velocities of the navigation coordinate system, the first and second blocks of quaternion calculations, a unit for calculating the matrix of guide cosines and for calculating angles orientation, damping signal generation unit, as well as Kalman adaptive filter; wherein the output of the linear acceleration signals of the CE block is connected to the corresponding input of the acceleration conversion unit, the output of which is connected to the input of the speed calculation unit and the corresponding input of the Kalman filter, the output of which is connected to the corresponding inputs of the matrix and angle block and the damping block; other inputs of the Kalman filter unit and the damping unit are connected to the output of the motion parameter block; the output of the angular velocity signals of the SE block is connected to the corresponding input of the first quaternion block, the output of which is connected to the corresponding input of the second quaternion block, the other inputs of which are also connected to the outputs of the angular velocity signals of the velocity calculation unit and the damping unit; the output of the second quaternion block is connected to the input of the matrix block and the angles and to the corresponding feedback input of the first quaternion block; the matrix signal output of the matrix block and the angles is connected to the corresponding input of the acceleration conversion unit; the outputs of the corners of the matrix block and the angles are the outputs of the third platform.

4. The system according to claim 1, comprising a second platform, comprising a unit for converting accelerations from the coordinate system connected to the navigation system, a unit for calculating linear and angular velocities of the navigation coordinate system, a first and second block of quaternion calculations, a unit for calculating a matrix of guide cosines and for calculating angles orientation, a block for generating damping signals, and also an additional block for calculating coordinates; wherein the output of the linear acceleration signals of the SE unit is connected to the corresponding input of the acceleration conversion unit, the output of which is connected to the input of the speed calculation unit and to the corresponding input of the damping unit, the other input of which is connected to the output of the motion parameter block; the output of the angular velocity signals of the SE block is connected to the corresponding input of the first quaternion block, the output of which is connected to the corresponding input of the second quaternion block, the other inputs of which are also connected to the outputs of the angular velocity signals of the velocity calculation unit and the damping unit; another output of the linear velocity signal of the speed calculating unit is connected to the input of the coordinate calculating unit; the output of the SNA receiver unit is connected to the corresponding inputs of the damping unit and the coordinate unit; the output of the SNA quality block is connected to the corresponding input of the damping block; the output of the second quaternion block is connected to the corresponding feedback input of the first quaternion block and to the corresponding input of the matrix block and angles; the matrix signal output of the matrix block and the angles is connected to the corresponding input of the acceleration conversion unit; the outputs of the signals of angles, geographical coordinates and linear velocity components are outputs of the second platform.

5. The system according to claim 1, comprising a master filter, comprising a unit for determining weighting factors for roll and pitch angles, a unit for determining output signals of roll and pitch angles, and also a unit for generating output signals of the heading angle; geographical coordinates and linear velocity components; while the inputs of the block weight coefficients are connected to the corresponding outputs of the block of motion parameters and roll and pitch angles from three platforms; the output of the block of weights is connected to the input of the block of roll and pitch angles; the inputs of the heading angle block, coordinates and speeds are connected to the corresponding outputs of the heading angle signals, coordinates and speeds of the second platform and the SNA receiver, as well as with the output of the SNA quality block; the outputs of the block of roll and pitch angles and the block of the heading angle, coordinates and speeds are the outputs of the master filter.