RU2787971C1 - Method for autonomous orientation of objects in near-earth space - Google Patents
Method for autonomous orientation of objects in near-earth space Download PDFInfo
- Publication number
- RU2787971C1 RU2787971C1 RU2022116056A RU2022116056A RU2787971C1 RU 2787971 C1 RU2787971 C1 RU 2787971C1 RU 2022116056 A RU2022116056 A RU 2022116056A RU 2022116056 A RU2022116056 A RU 2022116056A RU 2787971 C1 RU2787971 C1 RU 2787971C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- orientation
- information
- vector
- autonomous
- vectors
- Prior art date
Links
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 claims abstract description 9
- 230000005484 gravity Effects 0.000 claims abstract description 3
- 230000005358 geomagnetic field Effects 0.000 claims abstract 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 5
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 claims description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 30
- DKGAVHZHDRPRBM-UHFFFAOYSA-N t-BuOH Chemical compound CC(C)(C)O DKGAVHZHDRPRBM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 8
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 5
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 5
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 4
- 231100000743 Maximale Arbeitsplatzkonzentration Toxicity 0.000 description 3
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 3
- 238000007374 clinical diagnostic method Methods 0.000 description 3
- 238000011161 development Methods 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 3
- 240000006225 Blighia sapida Species 0.000 description 2
- 210000004544 DC2 Anatomy 0.000 description 2
- CWRVKFFCRWGWCS-UHFFFAOYSA-N Pentrazole Chemical compound C1CCCCC2=NN=NN21 CWRVKFFCRWGWCS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000000875 corresponding Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000007667 floating Methods 0.000 description 2
- 230000002530 ischemic preconditioning Effects 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 229920000333 poly(propyleneimine) Polymers 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 108050000251 SPARC Proteins 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 230000000996 additive Effects 0.000 description 1
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- 230000002547 anomalous Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 230000005347 demagnetization Effects 0.000 description 1
- 230000000368 destabilizing Effects 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 230000004069 differentiation Effects 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 1
- 238000000892 gravimetry Methods 0.000 description 1
- 230000005415 magnetization Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000010606 normalization Methods 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 1
- 230000001131 transforming Effects 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области бортового приборостроения и автоматики, может быть использовано для решения задач автономной ориентации при управлении наземными, плавающими, летательными, баллистическими и космическими аппаратами в околоземном пространстве.The invention relates to the field of on-board instrumentation and automation, can be used to solve problems of autonomous orientation when controlling ground, floating, aircraft, ballistic and space vehicles in near-Earth space.
При решении задач пространственной ориентации подвижных объектов (ПО) в околоземном пространстве, предпочтение отдают способам автономной ориентации, соответствующим бесплатформенным и безгироскопным технологиям [1, 2]When solving problems of spatial orientation of moving objects (MO) in near-Earth space, preference is given to autonomous orientation methods corresponding to strapdown and gyroscope-free technologies [1, 2]
Известен геометрический способ автономной ориентации ПО в околоземном пространстве на основе использования платформенных гироскопических технологий [3, 4].There is a known geometric method for autonomous orientation of software in near-Earth space based on the use of platform gyroscopic technologies [3, 4].
В основу этого способа положены принципы физического воспроизведения (геометрическим путем) в пространстве двух или трех базовых направлений отсчета с помощью гироскопических систем ориентации (ГСО). Схемы построения ГСО могут предполагать реализацию различных вариантов схемотехнических и конструктивных решений [3, 4]:This method is based on the principles of physical reproduction (in a geometrical way) in space of two or three basic reference directions using gyroscopic orientation systems (GSO). Schemes for constructing a GSO may involve the implementation of various options for circuitry and design solutions [3, 4]:
- комбинации трехстепенных (свободных и корректируемых) гироскопов в кардановых подвесах (гироскопов направления, гирокомпасов, гирорбитантов, гировертикалей, геровертикантов и пр.),- combinations of three-degree (free and adjustable) gyroscopes in gimbals (direction gyroscopes, gyrocompasses, gyrorbitants, gyro-verticals, gero-verticants, etc.),
- курсовертикалей гироскопических (КВГ),- gyroscopic headings (KVG),
- комбинации одноосных (ОГС) и двухосных (ДГС) гиростабилизаторов,- combinations of uniaxial (OGS) and biaxial (DGS) gyrostabilizers,
- трехосных индикаторных, силовых и индикаторно-силовых гиростабилизаторов (ТГС) с гиростабилизированными платформами (ГСП),- triaxial indicator, power and indicator-power gyrostabilizers (TGS) with gyro-stabilized platforms (GSP),
- систем трех и нескольких одноосных гиростабилизаторов (ОГС),- systems of three and several single-axis gyrostabilizers (OGS),
- гироазимутгоризонтов (ГАГ) на основе использования схем ОГС, ДГС, ТГС и др. Во всех вариантах построения ГСО используют принцип физического- gyroazimuth horizons (GAG) based on the use of OGS, DGS, TGS schemes, etc. In all variants of GSO construction, the principle of physical
моделирования отсчетных базисов, воспроизводимых материально с помощью трех ортов:modeling of reference bases, reproduced materially using three unit vectors:
где - векторы кинетических моментов и их модули для i-ых гироскопов.where - vectors of kinetic moments and their modules for the i-th gyroscopes.
Для схем ГСО, построенных с учетом использования только двух гироскопов с кинетическими моментами отсчетный базис строят на основе следующих ортов:For GSO schemes built taking into account the use of only two gyroscopes with kinetic moments reference basis build on the basis of the following vectors:
В общем случае отсчетная система координат, построенная на основе ортов определяемых по формулам (1) или (2), для любой схемы ГСО представляет собой неортогональный и нестационарный базис (в силу проявления геометрических свойств кардановых подвесов и свойств астатизма гироскопов).In the general case, the reference coordinate system built on the basis of unit vectors determined by formulas (1) or (2), for any scheme, the GSO is a non-orthogonal and non-stationary basis (due to the manifestation of the geometric properties of gimbals and the properties of astatism of gyroscopes).
К недостаткам геометрического способа автономной ориентации ПО на основе использования ГСО следует отнести следующее:The disadvantages of the geometric method of autonomous software orientation based on the use of GSO include the following:
- большие габариты и массы ГСО,- large dimensions and masses of GSO,
- необходимость проведения операций коррекций ГСО, т.к. гироскопы «уходят в пространстве» вследствие проявления их дрейфа, обусловленного свойством астатизма,- the need to carry out GSO correction operations, because gyroscopes "leave in space" due to the manifestation of their drift, due to the property of astatism,
- использование ГСО на ПО накладывает некоторые ограничения на пространственные маневры объектов в силу проявления геометрических свойств выбиваемости гироскопов, обусловленных явлением «складывания рамок» кардановых подвесов.- the use of GSO on software imposes some restrictions on the spatial maneuvers of objects due to the manifestation of the geometric properties of the knockout of gyroscopes, due to the phenomenon of "frame folding" of gimbal suspensions.
Придание ГСО с кардановыми подвесами свойств устойчивости, невыбиваемости, пространственной всережимности и всеманевренности достигают путем усложнения схемо-технических и конструктивных решений (вводят дополнительную следящую раму, отрабатываемую в положение устойчивости гироскопа с помощью следящей системы, а также вводят коррекцию от дополнительных эталонных систем). Это усовершенствование приводит в еще большей степени к ухудшению габаритно-массовых характеристик ГСО, а также к снижению показателей технологичности, экономичности, надежности работы в эксплуатации.Giving the GSO with gimbals the properties of stability, non-knockout, spatial all-mode and all-maneuverability is achieved by complicating the circuitry and design solutions (an additional servo frame is introduced, which is worked out in the position of the gyroscope stability using the servo system, and correction from additional reference systems is also introduced). This improvement leads to an even greater degree of deterioration in the overall and mass characteristics of the GSO, as well as to a decrease in manufacturability, efficiency, and operational reliability.
Этот факт привел к тому, что в последние 20-30 лет специалисты в области управления ПО при решении задач пространственной автономной ориентации объектов предпочтение отдают бесплатформенным и бескардановым технологиям [1-5].This fact has led to the fact that in the last 20-30 years, specialists in the field of software control, when solving problems of spatial autonomous orientation of objects, give preference to strapdown and gimbals-free technologies [1-5].
Известны способы пространственной автономной бесплатформенной ориентации ПО в околоземном пространстве, объединенных в единую группу способов трехмерной расширенной инерциальной ориентации (ТРИО) [1-5]. Варианты способов бесплатформенной автономной инерциальной ориентации ПО (способов ТРИО) отличаются друг от друга прежде всего способами описания геометрии и кинематики вращательного движения объекта [2, 3, 6].Known methods of spatial autonomous strapdown orientation software in near-Earth space, combined into a single group of methods of three-dimensional extended inertial orientation (TRIO) [1-5]. Variants of methods for strapdown autonomous inertial orientation of software (TRIO methods) differ from each other primarily in the ways of describing the geometry and kinematics of the rotational motion of an object [2, 3, 6].
В качестве исходной математической модели вращательного движения любого ПО в пространстве во всех способах ТРИО принимают кинематическое уравнение вращения твердого тела:As the initial mathematical model of the rotational motion of any software in space in all methods of TRIO, the kinematic equation of rotation of a rigid body is taken:
где - вектор абсолютной угловой скорости вращения объекта в инерциальном пространстве, измеряемый с помощью блока гироскопов,where - the vector of the absolute angular velocity of rotation of the object in inertial space, measured using a block of gyroscopes,
- вектор переносной угловой скорости вращения объекта вместе с вращающейся Землей в инерциальном пространстве, - the vector of the portable angular velocity of rotation of the object together with the rotating Earth in inertial space,
- вектор относительной угловой скорости вращения объекта относительно Земли. - the vector of the relative angular velocity of the object's rotation relative to the Earth.
На основе векторного уравнения (3) формируют сначала кинематические уравнения вращательного движения ПО в пространстве, а затем интегральные алгоритмы обработки инерциальной информации для различных вариантов ТРИО, выраженные в терминах различных параметров ориентации [2, 3, 6].On the basis of the vector equation (3), first, the kinematic equations of the rotational motion of the software in space are formed, and then the integral algorithms for processing inertial information for various variants of the TRIO, expressed in terms of various orientation parameters [2, 3, 6].
Интегральный алгоритм ТРИО в терминах трехмерных параметров (эйлеровых углов) [6]:TRIO integral algorithm in terms of three-dimensional parameters (Euler angles) [6]:
Интегральный алгоритм ТРИО в терминах четырехмерных параметров (параметров Родрига-Гамильтона) в кватернионной и векторно-матричной формах [17]:TRIO integral algorithm in terms of four-dimensional parameters (Rodrigues-Hamilton parameters) in quaternion and vector-matrix forms [17]:
Интегральный алгоритм ТРИО в терминах девятимерных параметров (направляющих косинусов матрицы А (3×3) ориентации ПО) [3, 4, 6, 17]:TRIO integral algorithm in terms of nine-dimensional parameters (direction cosines of the matrix A (3 × 3) of the orientation of the software) [3, 4, 6, 17]:
В алгоритмах (4) - (8) приняты следующие обозначения:Algorithms (4) - (8) use the following designations:
- оценки эйлеровых углов (углов курса, тангажа (дифферента), крена(вращения), соответственно), - estimates of Euler angles (angles of heading, pitch (trim), roll (rotation), respectively),
- оценки кватернионов конечного поворота и вектора - estimates of quaternions of final rotation and vector
знак кватернионного произведения кватернионов, sign of the quaternion product of quaternions,
- квадратные матрицы (4×4), - square matrices (4×4),
- оценка матрицы ориентации ПО (3×3), - evaluation of the software orientation matrix (3×3),
- обратная матрица (3×3) при векторе - inverse matrix (3×3) with vector
- тензоры векторов - vector tensors
- оценки начальных значений эйлеровых углов, кватерниона и матрицы ориентации, соответственно. - estimates of the initial values of the Euler angles, quaternion and orientation matrix, respectively.
В алгоритмах обработки информации (4) - (8) для учета оценок начальных параметров ориентации ПО во всех способах ТРИО проводят предварительно операцию начальной автономной выставки (НАВ) [1-6].In the information processing algorithms (4) - (8), in order to take into account the estimates of the initial parameters of the orientation of the software in all TRIO methods, the operation of the initial autonomous alignment (IAV) is preliminarily performed [1-6].
Во всех интегральных алгоритмах ориентации ПО (4) - (8) компоненты вектора угловой скорости измеряемые с помощью трехосного блока гироскопов (ТБГ), находятся под знаком интеграла. В реальных условиях показания ТБГ содержат наряду с полезными сигналами мультипликативные и аддитивные погрешности:In all integral orientation algorithms PO (4) - (8) components of the angular velocity vector measured using a triaxial gyroscope unit (TBG) are under the integral sign. In real conditions, TBG readings contain, along with useful signals multiplicative and additive errors:
) )
Из анализа интегральных алгоритмов ориентации ПО (4) - (8) с учетом выражений (9) для реальных измерений с помощью ТБГ видно, что всем вариантам способов ТРИО ПО характерен общий недостаток, заключающийся в накоплении погрешностей во времени, связанном с процессом интегрирования как полезных сигналов, так и ошибок гироскопов From the analysis of integral algorithms for orientation of software (4) - (8) taking into account expressions (9) for real measurements using TBG, it can be seen that all variants of the TRIO software methods are characterized by a common drawback, which consists in the accumulation of errors in time associated with the process of integrating both useful signals and gyroscope errors
Из-за проявления этого общего недостатка все способы инерциальной ориентации ПО имеют ограничения по времени работы БСО или нуждаются в использовании дополнительных приемов коррекции.Due to the manifestation of this general drawback, all methods of inertial orientation of the software have limitations on the time of operation of the BSO or require the use of additional correction techniques.
По этой причине усилия специалистов в области управления ПО с конца XX столетия направлены на устранение этого основного недостатка путем поиска и разработки безгироскопных способов автономной ориентации, в частности, способов автономной ориентации, основанных на обработке информации о геофизических полях (ГФП).For this reason, the efforts of specialists in the field of software control since the end of the 20th century have been aimed at eliminating this main drawback by searching for and developing gyroscope-free methods of autonomous orientation, in particular, methods of autonomous orientation based on the processing of information about geophysical fields (GFP).
Известен способ автономной ориентации ПО в пространстве, основанный на формировании и обработке двухвекторной или трехвекторной информации, получаемой от пар или троек трехосных блоков гироскопов, акселерометров, магнитометров [7].There is a known method of autonomous orientation software in space, based on the formation and processing of two-vector or three-vector information received from pairs or triplets of triaxial blocks of gyroscopes, accelerometers, magnetometers [7].
В научно-технической литературе способ получил название способа аналитического горизонт-компасирования (АГК). Способ АГК реализуют в трех вариантах:In the scientific and technical literature, the method is called the method of analytical horizon-compassing (AGC). The AGK method is implemented in three versions:
- двухвекторном АГК на основе инерциальной информации о векторах - two-vector AGK based on inertial information about vectors
- двухвекторном АГК на основе магнито-интерциальной информации о векторах - two-vector AGK based on magneto-intertial information about vectors
- трехвекторном комбинированном АГК на основе объединения двухвекторных способов - three-vector combined AGK based on the combination of two-vector methods
В вариантах способа АГК приняты обозначения векторов ГФП:In variants of the AGK method, the designations of HFP vectors are accepted:
- вектора напряженности поля тяжести Земли (ПТЗ), - the intensity vector of the Earth's gravity field (PTZ),
- вектора напряженности магнитного поля Земли (МПЗ), - vector of the Earth's magnetic field (EMF),
- вектора угловой скорости собственного суточного вращения Земли. - the vector of the angular velocity of the Earth's own daily rotation.
Во всех трех вариантах способа АГК информацию о векторе получаемую с помощью трехосных блоков акселерометров (ТБА), используют для решения задачи аналитического горизонтирования (АГ), т.е. задачи определения углов отклонения ПО от плоскости горизонта аналитическим путем на основе алгоритмической обработки информации ТБА в связанном с объектом базисе т:In all three variants of the AGK method, information about the vector obtained using triaxial accelerometer units (TBA) is used to solve the problem of analytical leveling (AG), i.e. angle detection problems deviations of software from the plane of the horizon analytically based on the algorithmic processing of TBA information in the basis t associated with the object:
Компоненты вектора, отнесенного к осям географического базиса (N - направление на Север, Н - направление вертикали места, Е - направление на Восток) вычисляют на основе использования основного уравнения гравиметрии [8]:The components of the vector referred to the axes of the geographic basis (N - the direction to the North, H - the direction of the vertical of the place, E - the direction to the East) are calculated based on the use of the basic gravimetry equation [8]:
где - ускорение свободно падающего тела на экваторе,where is the acceleration of a freely falling body at the equator,
а - большая полуось референц-эллипсоида фигуры Земли, a - the semi-major axis of the reference ellipsoid of the figure of the Earth,
а = 6378245, м, a = 6378245, m,
h -географическая высота, h = r - R,h - geographical height, h = r - R,
R - средний радиус Земли, R=6378211 м,R - average radius of the Earth, R=6378211 m,
α2 - квадрат эксцентриситета сжатия Земли,α 2 is the square of the eccentricity of the Earth's compression,
b - малая полуось фигуры Земли, b=6356863 м,b - semi-minor axis of the figure of the Earth, b=6356863 m,
ϕ - географическая широта точки наблюдения,ϕ - geographical latitude of the observation point,
q - отношение центростремительного ускорения к ускорению на экваторе:q is the ratio of centripetal acceleration to acceleration at the equator:
Ω - угловая скорость вращения Земли, Ω is the angular velocity of the Earth's rotation,
Радиус-вектор точки наблюдения с координатами вычисляют по формуле:Radius vector observation points with coordinates calculated by the formula:
На основе компонент векторов вычисленных по формулам (10), (11), формируют уравнение АГ:Based on component vectors calculated by formulas (10), (11), form the AG equation:
где - матрицы (3×3) углов крена γ и тангажа ϑ.where - matrices (3×3) of roll angles γ and pitch ϑ.
Путем решения скалярных уравнений, получаемых из векторно-матричного уравнения (15), формируют алгоритмы АГ:By solving the scalar equations obtained from the vector-matrix equation (15), the AG algorithms are formed:
После решения задачи АГ составляют уравнения аналитического компасирования (АК) для двух вариантов:After solving the AG problem, analytical compensating equations (AC) are compiled for two options:
- для аналитического компасирования инерциального (АКИ),- for analytical inertial compassing (AQI),
- для магнитометрического аналитического компасирования (МАК), (g Т - АК).- for magnetometric analytical compassing (MAC), (g T - AK).
где - транспонированные матрицы (3×3) углов тангажа и крена ПО,where - transposed matrices (3×3) of pitch and roll angles,
- проекции вектора на оси связанного базиса m (определяют по показаниям трехосного блока магнитометров (ТБМ)) - vector projections on the axis of the associated basis m (determined by the readings of a triaxial block of magnetometers (TBM))
- проекции вектора МПЗ на оси географического базиса q (вычисляют по модели нормального МПЗ [9], - vector projections EMF on the axis of the geographical basis q (calculated according to the normal EMF model [9],
- матрица (3×3) курса ПО. Уравнения АК (17) и (18) справедливы только в режиме неподвижности (ПО (в режиме ZUPT), при котором выполняются соотношения (10) и условия для показаний ТБГ: - matrix (3×3) of the software course. The AC equations (17) and (18) are valid only in the immobility mode (in the ZUPT mode), in which the relations (10) and the conditions for the TBG indications are satisfied:
Из решений уравнений (17) и (18) получают алгоритмы АК (АКИ и МАК).From the solutions of equations (17) and (18), the AK algorithms (AKI and MAK) are obtained.
Алгоритм АКИ AQI algorithm
Алгоритм МАК (g Т - вариант):MAC algorithm (g T - option):
ПричемAnd
Для повышения точности решения задачи АГК, а также обеспечения условий всережимности и устойчивости алгоритмов иногда способы АКИ и МАК выполняют совместно в одном способе (вариант АГК) с использованием расширенной магнито-инерциальной информации [10, 11].To improve the accuracy of solving the AGK problem, as well as to ensure the conditions for all-mode and stability of the algorithms, sometimes the AKI and MAK methods are performed jointly in one method (AGK variant) using extended magneto-inertial information [10, 11].
Способ ориентации инклинометра в составе подземного снаряда в скважине [11] включает измерение проекции на оси связанного базиса напряженности магнитного поля феррозондами, измерение проекции ускорения свободно падающего тела акселерометрами, измерение проекции угловой скорости вращения Земли гироскопами, преобразование первичных сигналов и определение углов пространственной ориентации объекта. При этом оценивают погрешность гироскопов с привлечением информации от спутниковой навигационной системы (СНС) и корректируют величины дрейфов гироскопов с учетом информации от феррозондов. Причем при отсутствии магнитных аномалий вычисляют углы ориентации ПО по сигналам ТБМ а при работе в средах с аномальными магнитными свойствами вычисляют параметры ориентации по сигналам . Таким образом, обработку многомерной магнито-инерциальной информации выполняют по схеме реконфигурации алгоритмов (g Ω -АГК или g T-АГК).The method for orienting an inclinometer as part of an underground projectile in a well [11] includes measuring the projection on the axis of the associated basis of the magnetic field intensity by ferrosondes, measuring the projection of the acceleration of a freely falling body with accelerometers, measuring the projection of the angular velocity of the Earth's rotation with gyroscopes, converting primary signals and determining the angles of the object's spatial orientation. At the same time, the error of the gyroscopes is estimated using information from the satellite navigation system (SNS) and the values of the gyroscope drifts are corrected taking into account information from the fluxgates. Moreover, in the absence of magnetic anomalies, the orientation angles of the software are calculated from the TBM signals and when working in media with anomalous magnetic properties, the orientation parameters are calculated from the signals . Thus, the processing of multidimensional magneto-inertial information perform according to the scheme of reconfiguration of algorithms (g Ω -AGK or g T-AGK).
При отсутствии магнитных аномалий в среде реализуют схему g Т -АГК с помощью безгироскопного магнито-акселерометрического модуля (ТБМ+ТБА). При наличии же магнитных аномалий и при проявлении внешних магнитных помех реализуют автономную ориентацию по схеме g Ω-АГК с использованием только инерциальной информации (ТБА + ТБГ).In the absence of magnetic anomalies in the environment, the g T -AGK scheme is implemented using a non-gyroscope magneto-accelerometric module (TBM+TBA). In the presence of magnetic anomalies and the manifestation of external magnetic interference, autonomous orientation is implemented according to the g Ω-AGK scheme using only inertial information (TBA + TBG).
Общим недостатком способа АГК во всех вариантах (g Ω, gT и g Ω T) являются ограничения на условия использования измерительного модуля (ТБА, ТБМ, ТБГ) в виде требования выполнения режима остановки ПО (режима ZUPT).A common disadvantage of the AGK method in all variants (g Ω, gT and g Ω T) are restrictions on the conditions for using the measuring module (TBA, TBM, TBG) in the form of a requirement to execute the software stop mode (ZUPT mode).
Кроме того, алгоритмы АКИ (20) и МАК (21) вырождаются в районах географических (cosϕ = 0) и геомагнитных полюсов, а также не обеспечивают необходимой точности решения задачи автономной ориентации в околополярных районах (с географической широтой из-за близости векторов к условиям квазиколлинеарности В этих же районах проявляется повышенная чувствительность алгоритмов АГК к погрешностям первичных измерений In addition, the AQI (20) and MAK (21) algorithms degenerate in geographic (cosϕ = 0) and geomagnetic regions. poles, and also do not provide the necessary accuracy of solving the problem of autonomous orientation in circumpolar regions (with a geographic latitude due to the proximity of vectors to the conditions of quasicollinearity In the same areas, an increased sensitivity of AGK algorithms to errors in primary measurements is manifested.
С учетом отмеченных недостатков способ АГК в основном нашел практическое применение для решения задач НАВ ПО в предстартовых условиях [12].Taking into account the noted shortcomings, the AGK method has mainly found practical application for solving problems of NAV PO in prelaunch conditions [12].
Однако и в этих случаях для повышения точности решения задачи автономной ориентации ПО необходимо минимизировать погрешности в магнитометрическом и инерциальном каналах измерений.However, in these cases, in order to improve the accuracy of solving the problem of autonomous orientation of the software, it is necessary to minimize errors in the magnetometric and inertial measurement channels.
Известен способ автономной пространственной ориентации (АПО) ПО, заключающейся в составлении матричного уравнения, характеризующего преобразование векторов ГФП из географического базиса в связанный с объектом базис и в последующем решении этого уравнения с целью формирования алгоритмов обработки многомерной геофизической информации (ГФИ) и преобразования ее в пилотажно-навигационную информацию (ПНИ) о параметрах ориентации объекта [13].There is a known method of autonomous spatial orientation (APO) software, which consists in compiling a matrix equation characterizing the transformation of HFP vectors from geographic basis to the basis associated with the object and in the subsequent solution of this equation in order to form algorithms for processing multidimensional geophysical information (GPI) and converting it into flight navigation information (PNI) about the object orientation parameters [13].
Способ оперирует с информацией о векторах ГФП и поэтому назван способом ориентации векторным автономным (СОВА).The method operates with information about HFP vectors and therefore it is called the autonomous vector orientation method (SOVA).
По доступной информации предварительно вычисляют векторы ПТЗ МПЗ и поля вращения Земли в географическом q и m связанном базисахBased on the available information, the PTZ vectors are preliminarily calculated MPZ and the Earth's rotation fields in geographic q and m related bases
Вектор вычисляют с учетом результатов предварительно выполненных метрологических тарировок и технологических калибровок в соответствии с расширенным уравнением Пуассона [14]:Vector calculated taking into account the results of previously performed metrological calibrations and technological calibrations in accordance with the extended Poisson equation [14]:
где - вектор напряженности результирующего магнитного поля, сформированного по показаниям ТБМ и приведенного к осям приборного отсчетного базиса р.where - the intensity vector of the resulting magnetic field, formed according to the readings of the TBM and reduced to the axes of the instrument reference basis p.
- вектор напряженности МПЗ в точке наблюдения, приведенный к географическому базису q, - EMF intensity vector at the observation point, reduced to the geographical basis q,
- компоненты вектора напряженности магнитного поля объекта (МПО), отнесенного к осям связанного базиса m, are the components of the object's magnetic field strength vector (MFO), referred to the axes of the associated basis m,
- аналогичные компоненты вектора, обусловленного влиянием электромагнитных источников (ЭМИ) помех, - similar components of the vector, due to the influence of electromagnetic sources (EMR) of interference,
- единичная матрица (3×3), - identity matrix (3×3),
- матрица коэффициентов Пуассона (3×3), - matrix of Poisson's ratios (3×3),
- матрица погрешностей сборки ТБМ (3×3), - TBM assembly error matrix (3×3),
- матрица погрешностей монтажа ТБМ на объекте (3×3). - error matrix of TBM installation at the facility (3×3).
Компоненты векторов в осях географического q базиса вычисляют с учетом данных СНС по моделям нормальных ГФП [8, 9, 14]:Vector components in the axes of the geographical q basis is calculated taking into account the SNA data according to normal HFP models [8, 9, 14]:
Геомагнитный потенциал представляют с помощью сферических рядов Гаусса [8]:The geomagnetic potential is represented using spherical Gauss series [8]:
где m, n - степень и порядок членов разложения,where m, n - degree and order of expansion terms,
- присоединенные функции Лежандра. are associated Legendre functions.
На основе навигационной информации (ϕ, λ, h), получаемой от СНС, вычисляют компоненты вектора кажущегося ускорения в географическом базисе [1, 2]:Based on the navigation information (ϕ, λ, h) received from the SNS, the components of the apparent acceleration vector are calculated in the geographical basis [1, 2]:
где rϕ, rλ радиусы кривизны эквидистантного референц-эллипсоида [8].where r ϕ , r λ are the radii of curvature of an equidistant reference ellipsoid [8].
Компоненты вектора определяют на основе данных СНС [1, 2]:Vector components determined on the basis of SNA data [1, 2]:
Вектор определяют путем численного дифференцирования.Vector determined by numerical differentiation.
Расширяют ГФИ за счет вычисления на основе способа восстановления векторной информации [15] вектора в связанном базисе, а также путем вычисления дополнительных векторов [13] в базисах m и q:GPI is extended by calculating, based on the vector information recovery method [15], the vector in the associated basis, as well as by calculating additional vectors [13] in the m and q bases:
На основе вычисленных по формулам (11) - (13), (26) - (33), (3), (23) векторов составляют матричное уравнение АПО в условиях функциональной избыточности информации:Based on the vectors calculated by formulas (11) - (13), (26) - (33), (3), (23), the APO matrix equation is compiled under conditions of functional information redundancy:
В соответствии с принципом декомпозиции разбивают матричное уравнение (34) на частные матричные уравнения идентификации с квадратными матрицами (3) вида:In accordance with the principle of decomposition, the matrix equation (34) is divided into particular matrix identification equations with square matrices (3) of the form:
где - матрица приборной информации и ГФИ в связанном базисе m (3×3),where - matrix of instrument information and GFI in the associated basis m (3×3),
- матрица идентификации (3×3) для k-ого варианта. - identification matrix (3×3) for the k-th option.
Максимально возможное число вариантов построения матричных уравнений идентификации вида (35) составляетThe maximum possible number of options for constructing matrix identification equations of the form (35) is
Для практических целей из соображений экономии объема оперативной памяти бортового вычислителя достаточно использовать ограниченное число вариантов например, For practical purposes, for reasons of saving the amount of RAM of the onboard computer, it is sufficient to use a limited number of options for example,
Алгоритмы АПО для способа СОВА получают путем обращения уравнений идентификации (35):APO algorithms for the COBA method are obtained by inverting the identification equations (35):
По алгоритмам АПО (37) вычисляют оценки направляющих косинусов матрицы ориентации для к-ого варианта.According to the APO algorithms (37), estimates of the direction cosines are calculated orientation matrices for the th option.
Используют операцию сравнения оценок (37) и вычисления выровненной оценки матрицы ориентации Use the operation of comparing estimates (37) and calculating the aligned estimate of the orientation matrix
По вычисленным значениям направляющих косинусов матрицы ориентации определяют оценки эйлеровых углов по формулам [13]:Based on the calculated values of the direction cosines of the orientation matrix, the estimates of the Euler angles are determined using the formulas [13]:
Значения, знаки оценок вычисленных эйлеровых углов а также положение ПО относительно осей географического базиса (q=NHE) определяют с помощью табл.1, 2, 3.Values, signs of estimated Euler angles as well as the position of the software relative to the axes of the geographical basis (q=NHE) is determined using tables 1, 2, 3.
Для формирования первичной приборной информации в способе СОВА используют три блока векторных ДПИ-ТБА, ТБГ, ТБМ. На основе этой ППИ могут быть реализованы трехвекторные и двухвекторные алгоритмы отработки информации (23) - (39). За счет этого реализуют условия функциональной избыточности информации, обеспечивающие свойства отказоустойчивости СОН и ее работоспособность в резервно-аварийных режимах (РАР). При этом допускается отказ любого блока или любых датчиков в пределах одного блока без потери работоспособности в РАР.For the formation of primary instrument information in the COBA method, three blocks of vector DPI-TBA, TBG, TBM are used. Based on this PPI, three-vector and two-vector algorithms for processing information (23) - (39) can be implemented. Due to this, the conditions of functional redundancy of information are implemented, providing the fail-safe properties of the SN and its operability in standby emergency modes (RAR). In this case, failure of any block or any sensors within one block is allowed without loss of operability in the PAP.
Достоинством способа СОВА является и то, что для его реализации не требуется выполнять операции начальной автономной выставки (НАВ) СОН. Недостатки способа СОВА:The advantage of the COBA method is that for its implementation it is not required to perform the operations of the initial autonomous exhibition (NAV) SON. Disadvantages of the SOVA method:
- применение ТБГ приводит к снижению точности решения задачи автономной ориентации из-за проявления дрейфа гироскопов,- the use of TBG leads to a decrease in the accuracy of solving the problem of autonomous orientation due to the drift of gyroscopes,
- сложность алгоритмов обработки информации с учетом функциональной избыточности информации в способе СОВА повышает требования к вычислительным характеристикам микроконтроллера (быстродействию, длине разрядной сетки, информационной производительности).- the complexity of information processing algorithms, taking into account the functional redundancy of information in the COBA method, increases the requirements for the computational characteristics of the microcontroller (speed, bit grid length, information performance).
Известен безгироскопный способ полуавтономной двухвекторной ориентации ПО в пространстве, основанный на комплексном использовании: спутниковой навигационной магнитометрической и инерциальной информации [16].Known non-gyroscope method of semi-autonomous two-vector orientation software in space, based on the integrated use of: satellite navigation magnetometric and inertial information [16].
Этот способ наиболее близок к заявленному способу и поэтому принят за прототип.This method is closest to the claimed method and therefore taken as a prototype.
В магнито-инерциально-спутниковом способе (МИСС DIADA) задачу полуавтономной ориентации ПО решают на основе комплексной обработки двухвекторной и спутниковой информации (по аналогии со способом векторного согласования TRIAD А).In the magnetic-inertial-satellite method (MISS DIADA), the problem of semi-autonomous orientation of the software is solved on the basis of complex processing of the two-vector and satellite information (by analogy with the TRIAD A vector matching method).
Сущность способа МИСС DIADA заключается в вычислении на основе первичной магнито-инерциальной информации оценок направляющих косинусов матрицы ориентации ПО с последующим определением эйлеровых углов Способ МИСС DIADA является частным случаем способа СОВА [13]. К достоинствам способа МИСС DIADA следует отнести следующее:The essence of the MISS DIADA method lies in the calculation based on the primary magnetic-inertial information direction cosine estimates matrices software orientation followed by determination of Euler angles The MISS DIADA method is a special case of the COBA method [13]. The advantages of the MISS DIADA method include the following:
- отсутствие в ППИ сигналов ТБГ с дрейфом гироскопов способствует повышению показателя точности решения задачи ориентации ПО,- the absence of TBG signals with gyroscope drift in the PRS contributes to an increase in the accuracy of solving the software orientation problem,
- обработка информации по алгоритмам МИСС DIADA может быть включена и выключена в любой момент времени работы системы ориентации без предварительного выполнения операций НАВ.- processing of information according to the MISS DIADA algorithms can be turned on and off at any time during the operation of the attitude control system without first performing NAV operations.
Недостатки способа МИСС DIADA:Disadvantages of the MISS DIADA method:
- способ МИСС DIADA не обеспечивает условия для повышения точности решения задачи ориентации ПО вследствие того, что магнитометрический канал (от ТБМ) построен по грубым алгоритмам, не учитывающим влияние дестабилизирующих факторов, связанных с магнитным полем объекта (МПО) и электромагнитными источниками (ЭМИ) помех, а также связанных с технологическими погрешностями сборки и монтажа ТБМ,- the MISS DIADA method does not provide conditions for improving the accuracy of solving the software orientation problem due to the fact that the magnetometric channel (from TBM) is built according to rough algorithms that do not take into account the influence of destabilizing factors associated with the magnetic field of the object (MFO) and electromagnetic sources (EMR) of interference , as well as those associated with technological errors in the assembly and installation of TBM,
- в алгоритмах обработки информации в способе МИСС DIADA на основе ортов строят не географический отсчетный базис а условный повернутый относительно базиса q трехгранник, с осями, направления которых определяют с помощью ортов, не совпадающих с ортами :- in information processing algorithms in the MISS DIADA method based on unit vectors build a non-geographic reference basis and a conditional trihedron rotated relative to the basis q, with axes whose directions are determined using orts that do not coincide with the orts :
- возможно нарушение работы МК вследствие того, что в алгоритмах обработки информации по способу МИСС DIADA используют операцию вычисления функции тангенса склонной к разрыву - possible malfunction of the MC due to the fact that in the algorithms for processing information according to the MISS DIADA method, the operation of calculating the tangent function is used prone to breaking
- система ориентации, построенная по способу МИСС DIADA, не обладает повышенными показателями надежности и отказоустойчивости в РАР из-за отсутствия условия функциональной избыточности информации.- the orientation system built according to the MISS DIADA method does not have increased reliability and fault tolerance in PAP due to the absence of a condition for functional redundancy of information.
Вместе с тем, реализация двухвекторного способа МИСС DIADA с учетом устранения отмеченных недостатков создает предпосылки для разработки малогабаритной двублочной (ТБА, ТБМ) безгироскопной полуавтономной бесплатформенной системы ориентации (БСО). Практическое использование такой безгироскопной БСО весьма привлекательна и эффективна как в производстве (технологичность, экономичность), так и в эксплуатации (надежность, малогабаритность и миниатюрность), особенно для БЛА.At the same time, the implementation of the two-vector MISS DIADA method, taking into account the elimination of the noted shortcomings, creates the prerequisites for the development of a small-sized two-unit (TBA, TBM) gyroscope-free semi-autonomous strapdown attitude control system (BSO). The practical use of such a gyroscope-free BSO is very attractive and effective both in production (manufacturability, economy) and in operation (reliability, small size and miniaturization), especially for UAVs.
В задачу настоящего изобретения входит разработка способа автономной бесплатформенной ориентации ПО в околоземном пространстве, свободного от недостатков аналогов и прототипа.The objective of the present invention is to develop a method for autonomous strapdown orientation software in near-Earth space, free from the disadvantages of analogs and prototype.
Решение поставленной задачи достигают за счет усовершенствования способа обработки магнито-инерциально-спутниковой информации (МИС-информации):The solution of the problem is achieved by improving the method of processing magnetic-inertial-satellite information (MIS information):
- путем усовершенствования алгоритмов обработки информации в магнитометрическом канале, с целью учета технологических особенностей ТБМ и магнитных свойств самого ПО,- by improving the algorithms for processing information in the magnetometric channel, in order to take into account the technological features of TBM and the magnetic properties of the software itself,
- за счет разработки более совершенных и эффективных алгоритмов обработки МИС-информации в соответствии с технологией алгоритмического обеспечения автономной пространственной ориентации (АПО) [13].- due to the development of more advanced and efficient algorithms for processing MIS information in accordance with the technology of algorithmic support for autonomous spatial orientation (APO) [13].
Предлагаемый способ решения задачи автономной ориентации ПО в околоземном пространстве авторы назвали «магнито-инерциальным методом определения значений А» (МИМОЗА) в связи с тем, что он позволяет определить девятимерные параметры ориентации -направляющие косинусы матрицы ориентации А.The proposed method for solving the problem of autonomous orientation of software in near-Earth space, the authors called the "magnetic-inertial method for determining the values of A" (MIMOSA) due to the fact that it allows you to determine the nine-dimensional orientation parameters - the direction cosines of the orientation matrix A.
Сущность предлагаемого способа (МИМОЗА) заключается определении оценок направляющих косинусов матрицы ориентации ПО путем комплексной обработки МИС-информации с учетом технологических особенностей магнито-метрического канала с последующим вычислением оценок эйлеровых углов ориентации объекта по невыбиваемым всережимным алгоритмам.The essence of the proposed method (MIMOSA) is to determine the estimates of the direction cosines of the orientation matrix Software by complex processing of MIS-information, taking into account the technological features of the magnetometric channel, followed by calculation of estimates of Euler angles orientation of the object according to non-knockout all-mode algorithms.
Предлагаемый способ поясняется с помощью Фиг. 1, 2. На Фиг. 1 представлена функциональная схема способа МИМОЗА,The proposed method is illustrated with the help of Fig. 1, 2. In Fig. 1 shows a functional diagram of the MIMOSA method,
1 - блок операций технологических (инструментальных и объектовых) калибровок,1 - block of operations of technological (instrumental and object) calibrations,
2 - блок операций формирования и преобразования первичной приборной информации (ППИ),2 - block of operations for the formation and conversion of primary instrument information (PDI),
3 - блок вычислительных операций в МК по алгоритмам МИМОЗА,3 - a block of computational operations in the MC according to the MIMOSA algorithms,
4 - блок вычислительных операций в МК по алгоритмам КАСКАД.4 - a block of computational operations in the MK according to the CASCADE algorithms.
На ФИГ.2 представлена схема алгоритмического обеспечения способа МИМОЗА.FIG.2 shows a diagram of the algorithmic support of the MIMOSA method.
5 - алгоритмы технологического обеспечения модуля (АТОМ),5 - algorithms for technological support of the module (ATOM),
6 - алгоритмы обработки МИС-информации (МИМОЗА),6 - MIS-information processing algorithms (MIMOSA),
7- комплексные алгоритмы самоконтроля и комбинированной автономной диагностики (КАСКАД).7- complex algorithms for self-control and combined autonomous diagnostics (CASKAD).
Сущность способа МИМОЗА заключается в последовательном выполнении операций измерений, формирования ППИ и ее комбинированной обработки (ФИГ. 1, 2):The essence of the MIMOSA method lies in the sequential execution of measurement operations, the formation of PPI and its combined processing (FIGS. 1, 2):
1. Заранее (до старта ПО) выполняют операции метрологических тарировок и технологических калибровок магнито-метрического и инерциального каналов измерений (поз. 1 на Фиг. 1). Технологические операции выполняют по методике, описанной в научно-технической литературе [14].1. In advance (before the start of the software), the operations of metrological calibration and technological calibration of the magnetometric and inertial measurement channels (
Обработку технологической информации (ТИ) выполняют по алгоритмам технологического обеспечения модуля (АТОМ) (поз.5 на Фиг. 2).The processing of technological information (TI) is performed according to the algorithms of the technological support of the module (ATOM) (pos.5 in Fig. 2).
2. На основе результатов измерений векторов в приборном измерительном базисе с учетом данных технологических калибровок выполняют операции коррекции показаний блоков (ТБА, ТБМ) и приведения их к ортонормированным осям связанного базиса m=XYZ [13, 14] (поз.2 на Фиг. 1):2. Based on the results of measurements of vectors in instrumental measuring basis taking into account the data of technological calibrations, operations are performed to correct the readings of the blocks (TBA, TBM) and bring them to the orthonormal axes of the associated basis m=XYZ [13, 14] (pos. 2 in Fig. 1):
где - транспортированная матрица монтажа модуля на объекте,where - transported module mounting matrix on site,
- обратные матрицы сборки ТБМ и ТБА, соответственно. - inverse assembly matrices of TBM and TBA, respectively.
3. Выполняют основные операции обработки МИС-информации по алгоритмам МИМОЗА (поз.3 на Фиг. 1, поз.6 на Фиг. 2).3. Perform the basic operations of processing MIS information algorithms MIMOSA (pos.3 in Fig. 1, pos.6 in Fig. 2).
Вычисляют компоненты векторов в географическом базисе q по формулам (27)-(32) с учетом использования навигационной информации от СНС Calculate components of vectors in the geographical basis q according to formulas (27) - (32) taking into account the use of navigation information from the SNA
Вычисляют дополнительный векторCalculate an additional vector
в связанном (т) и географическом (q) базисах:in bound (t) and geographic (q) bases:
С учетом вычисленных векторов составляют основное уравнение способа МИМОЗА в матричной форме:Taking into account the calculated vectors, the main equation of the MIMOSA method is compiled in matrix form:
Или в компактных формах:Or in compact forms:
где Р- матрица приборной информации, N -матрица идентификации (3×3).where Р is the instrument information matrix, N is the identification matrix (3×3).
Матрицу ориентации ПО А определяют через направляющие косинусы углов между ортами связанного и географического базисов:The orientation matrix of software A is determined through the direction cosines angles between the unit vectors of the connected and geographical bases:
Путем обращения матричного уравнения (45) (или (46), (47)) получают основной алгоритм обработки информации с целью вычисления оценки матрицы ориентации по способу МИМОЗА:By inverting the matrix equation (45) (or (46), (47)) a basic information processing algorithm is obtained in order to calculate the estimate of the orientation matrix according to the MIMOSA method:
где - обратная и союзная матрицы,where - inverse and union matrices,
det N - детерминант матрицы идентификации N.det N is the determinant of the identification matrix N.
Проверяют выполнение условия невырожденности матрицы идентификации N:The fulfillment of the condition of non-degeneracy of the identification matrix N is checked:
По формулам (39) и табл.1-3 вычисляют оценки эйлеровых углов и определяют их знаки.According to formulas (39) and Tables 1-3, estimates of Euler angles are calculated and determine their signs.
4. Выполняют контрольные и нормирующие операции (поз.4 на Фиг. 1) по комплексным алгоритмам самотестирования и комбинированной автономной диагностики (КАСКАД) (поз.7 на Фиг. 2):4. Control and normalizing operations are performed (pos. 4 in Fig. 1) according to complex algorithms for self-testing and combined autonomous diagnostics (CASKAD) (pos. 7 in Fig. 2):
Аналогичным образом выполняют контрольные операции над компонентами дополнительных векторов (33).Similarly perform control operations on the components of additional vectors (33).
Проверку правильности вычисления оценок параметров ориентации ПО выполняют по алгоритмам автономного контроля и нормировки (АКН) [17]:The verification of the correctness of the calculation of estimates of the software orientation parameters is performed according to the algorithms of autonomous control and normalization (ACN) [17]:
По результатам выполнения операций АКН по алгоритмам КАСКАД в заключение производят операции коррекции и нормировки результатов вычислений в блоке поз.3 (Фиг. 1) [17].Based on the results of performing DCA operations according to the CASCADE algorithms, in conclusion, operations are performed to correct and normalize the results of calculations in block pos.3 (Fig. 1) [17].
Практическая реализация предлагаемого способа МИМОЗА может быть выполнена как на импортной, так и на отечественной элементной базе (табл.4,5).The practical implementation of the proposed method MIMOSA can be performed both on imported and domestic element base (table 4,5).
Численные оценки расчетным путем показывают, что для реализации бесплатформенной системы ориентации (БСО) на основе предлагаемого способа с допустимыми погрешностями ориентации ПО в пространстве в пределах 10'…20' достаточно использовать в составе БСО блоки векторных датчиков, имеющих инструментальные погрешности и разрешающие способности не хуже пороговых значений:Numerical estimates by calculation show that for the implementation of a strapdown attitude control system (SOS) based on the proposed method with permissible errors in the orientation of software in space within 10'...20', it is sufficient to use blocks of vector sensors as part of the SSO, which have instrumental errors and resolutions no worse than threshold values:
что соответствует уровню достижимых показателей для существующих (табл.4), а тем более для перспективных векторных датчиков.which corresponds to the level of achievable indicators for existing (Table 4), and even more so for promising vector sensors.
Длина разрядной сетки МК в 24 бит, необходимая для обеспечения вычислительных операций при обработке информации с гарантированной точностью решения задачи автономной ориентации (с допустимой погрешностью и разрешающей способностью не хуже 1") предполагает:The length of the MK bit grid of 24 bits, which is necessary to provide computational operations when processing information with guaranteed accuracy in solving the problem of autonomous orientation (with an allowable error and a resolution of at least 1"), suggests:
- измерение компонент вектора с помощью ТБМ с допустимой погрешностью (с точностью до второго знака после запятой),- measurement of vector components using TBM with an allowable error (accurate to the second decimal place),
- измерение компонент вектора n с помощью ТБА с допустимой погрешностью (с точностью до пятого знака после запятой),- measurement of the components of the vector n using TBA with an allowable error (accurate to the fifth decimal place),
- вычисление в МК функций эйлеровых углов с допустимой погрешностью, не превышающей 0,001%(с точностью до шестого знака после запятой).- calculation in MK of functions of Euler angles with a permissible error not exceeding 0.001% (with an accuracy of six decimal places).
Для сравнения следует указать на то, что в современных цифровых пилотажно-навигационных комплексах обработку информации выполняют с длиной разрядной сетки в 16... 32 знака.For comparison, it should be pointed out that in modern digital flight and navigation systems, information is processed with a digit grid length of 16 ... 32 characters.
Определение потребной частоты обновления информации связано с оценкой динамических свойств ПО, на котором предполагают реализовать БСО в соответствии с предлагаемым способом. Численный анализ показывает, что для самого динамичного канала крена (вращения) ПО частота обновления информации в БСО должна удовлетворять условию:Determining the required frequency of updating information is associated with an assessment of the dynamic properties of the software on which it is proposed to implement the BSO in accordance with the proposed method. Numerical analysis shows that for the most dynamic channel of the roll (rotation) of the software, the frequency of updating information in the BSO must satisfy the condition:
При допустимой погрешности δγ = 1'' для высокоманевренного ПО частота Для маломаневренных ПО эта частота обновления информации в БСО может быть снижена на 1…2 порядка. Частота обновления информации в пилотажном и навигационном должны удовлетворять условию согласования:With an allowable error δγ = 1'' for highly maneuverable software frequency For low-maneuverable software, this frequency of updating information in the BSO can be reduced by 1...2 orders of magnitude. The frequency of updating information in the flight and navigational must satisfy the agreement condition:
При частоте обновления навигационной информации (от СНС) условие (55) выполняется с большим запасом.When the frequency of updating navigation information (from SNS) condition (55) is satisfied with a large margin.
С другой стороны, шаговая частота информации в должна быть согласована с тактовой частотой обработки приборной, геофизической и пилотажно-навигационной информации в МК:On the other hand, the step frequency of information in must be matched to the clock frequency processing of instrumental, geophysical and flight and navigation information in MC:
При выборе современных бортовых вычислителей (табл.4) условие (56)выполняется.When choosing modern on-board computers (Table 4), condition (56) is fulfilled.
Немаловажным фактом в пользу предлагаемого способа бесплатформенной автономной ориентации ПО в пространстве является тот факт, что этот способ не накладывает никаких ограничений на выбор места установки ТБМ на объекте. В соответствии с требованиями отраслевого стандарта (ОСТ 1 00374-80 «Датчики магнитного курса. Требования к размещению на самолетах и вертолетах») в авиации существуют ограничения на выбор места установки на летательных аппаратах магнитометрических датчиков. Аналогичные ограничения существуют в морском флоте и ракетно-космической технике. Более того, для снижения уровня намагниченности плавающих аппаратов в морском флоте широко используют технологию размагничивания кораблей и подводных лодок.An important fact in favor of the proposed method of strapdown autonomous software orientation in space is the fact that this method does not impose any restrictions on the choice of the TBM installation site at the facility. In accordance with the requirements of the industry standard (
В соответствии с алгоритмами обработки магнитометрической информации (41) в предлагаемом способе МИМОЗА учитывают не только магнитные и электромагнитные свойства ПО, но и погрешности сборки ТБМ и ошибки его монтажа на объекте.In accordance with the algorithms for processing magnetometric information (41), the proposed MIMOSA method takes into account not only the magnetic and electromagnetic properties of the software, but also the assembly errors of the TBM and the errors of its installation at the facility.
Кроме того, в соответствии с алгоритмами беслатформенной обработки информации (37Н39), (табл.1-3)In addition, in accordance with the algorithms of platformless information processing (37H39), (Tables 1-3)
- сняты всякие ограничения на условия выполнения пространственных маневров ПО (т.е. обеспечиваются условия всеманевренности и всережимности работы БСО),- all restrictions on the conditions for performing spatial maneuvers of the software have been removed (i.e., the conditions for all-maneuverability and all-mode operation of the BSO are provided),
- не требуется предварительное выполнение операций начальной автономной выставки (НАВ).- no preliminary execution of the operations of the initial autonomous exhibition (NAV) is required.
Для БСО, реализующей алгоритмы МИМОЗА, важно выполнить три режима работы в 3 этапа:For a BSO that implements MIMOSA algorithms, it is important to perform three modes of operation in 3 stages:
- режим (этап) технологической подготовки,- mode (stage) of technological preparation,
- штатный режим (этап) работы,- regular mode (stage) of work,
- режим (этап) самотестирования и самодиагностики.- mode (stage) of self-testing and self-diagnostics.
В конструктивном отношении БСО, реализующая способ МИМОЗА, может быть построена по одному их трех вариантов:Structurally, the BSO that implements the MIMOSA method can be built according to one of three options:
- в виде единого моноблока (модуля),- in the form of a single monoblock (module),
- в виде набора отдельных блоков,- in the form of a set of separate blocks,
- в смешанном варианте.- in a mixed version.
Вычислитель БСО может быть реализован по схеме, встроенной в измерительный модуль конструкции или в виде отдельного вычислительного блока.The BSO calculator can be implemented according to the circuit built into the design measuring module or as a separate computing unit.
Особенность практической реализации предлагаемого изобретения заключается в том, что аппаратную часть системы выбирают исходя из конкретных требований, связанных с типом объекта, средой и условиями его применения, а достижение системой соответствующих функций обеспечивают за счет сменного универсального программно-алгоритмического обеспечения. Это означает, что предлагаемый способ может быть реализован как в существующих БСО, так и в проектируемых и перспективных разработках.A feature of the practical implementation of the proposed invention lies in the fact that the hardware of the system is selected based on the specific requirements associated with the type of object, the environment and the conditions for its use, and the achievement of the corresponding functions by the system is ensured by the replaceable universal software and algorithmic support. This means that the proposed method can be implemented both in existing BSOs and in planned and promising developments.
Анализ отечественной и зарубежной научно-технической литературы, и патентных источников за последние 30 лет показывает, что альтернативы предлагаемому изобретению в настоящее время не существует, а сам предлагаемый способ бесплатформенной автономной ориентации ПО обладает необходимыми признаками новизны, актуальности и перспективности.An analysis of domestic and foreign scientific and technical literature, and patent sources over the past 30 years shows that there is currently no alternative to the proposed invention, and the proposed method of strapdown autonomous software orientation itself has the necessary signs of novelty, relevance and prospects.
Перечень литературных и патентных источниковList of literature and patent sources
1. Матвеев В.В., Распопов В.Я. Основы построения бесплатформенных инерциальных навигационных систем/Под общ. ред. д.т.н. В.Я. Распопова. - СПб.: ГНЦ РФ ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2009, -280 с. 1. Matveev V.V., Raspopov V.Ya. Fundamentals of building strapdown inertial navigation systems / Under the general. ed. d.t.s. V.Ya. Raspopov. - St. Petersburg: State Scientific Center of the Russian Federation JSC "Concern" Central Research Institute "Elektropribor", 2009, -280 p.
2. Ориентация и навигация подвижных объектов. Современные информационные технологии/Под общ. ред. Б.С.Алешина, К.К. Верееменко, А.И. Черноморского. -М.: Физматлит, 2006. - 424 с. 2. Orientation and navigation of moving objects. Modern information technologies / Under the general. ed. B.S. Aleshina, K.K. Vereemenko, A.I. Chernomorsky. -M.: Fizmatlit, 2006. - 424 p.
3. Репников А.В., Сачков Г.П., Черноморский А.Н. Гироскопические системы: Учеб. пособие для авиац. вузов/Под ред. д.т.н. А.В. Репникова. -М.: Машиностроение, 1983. -319 с. 3. Repnikov A.V., Sachkov G.P., Chernomorsky A.N. Gyroscopic systems: Proc. allowance for aviation. universities / Ed. d.t.s. A.V. Repnikov. -M.: Mashinostroenie, 1983. -319 p.
4. Рахтеенко Е.Р.Гироскопические системы ориентации. - М.: Машиностроение, 1989.-232 с. 4. Rakhteenko E.R. Gyroscopic orientation systems. - M.: Mashinostroenie, 1989.-232 p.
5. Микромеханические датчики и системы. Практические результаты и перспективы развития /XII Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам-СПб.: ГНЦ РФ ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2005, -С.262-275.5. Micromechanical sensors and systems. Practical results and development prospects / XII St. Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems - St. Petersburg: State Scientific Center of the Russian Federation OJSC Concern Central Research Institute Elektropribor, 2005, - P. 262-275.
6. Проскуряков Г.М., Плотников П.К. Геометрия и кинематика пространственного состояния подвижных объектов: учебн. пособие/Сарат.техн. ун-т, Саратов, 2008. -155 с. 6. Proskuryakov G.M., Plotnikov P.K. Geometry and kinematics of the spatial state of moving objects: textbook. allowance/Sarat.tech. un-t, Saratov, 2008. -155 p.
7. Шведов А.П. Комлексирование магнитометрических и инерциальных систем ориентации/А.П. Шведов, Ю.В. Иванов, Д.М. Малютин, Р.В. Алалуев, М.Г. Погорелов//Справочник. Инженерный журнал. Приложение №6,2010 г. -С 15-19.7. Shvedov A.P. Complexing of magnetometric and inertial orientation systems / A.P. Shvedov, Yu.V. Ivanov, D.M. Malyutin, R.V. Alaluev, M.G. Pogorelov//Handbook. Engineering Journal. Appendix No. 6, 2010 - From 15-19.
8. Руководство по Всемирной геодезической системе - 1984 (WGS-84)/-Международная организация гражданской авиации IKAO, изд.2ое,2002, DOC 9674.8. Manual of the World Geodetic System - 1984 (WGS-84) / - International Civil Aviation Organization IKAO, 2nd edition, 2002, DOC 9674.
9. International Geomagnetic Reference Field IGRF WMM-20, URL: // www.ngdc.noaa.gov/com (дата обращения: 20.12.2021).9. International Geomagnetic Reference Field IGRF WMM-20, URL: // www.ngdc.noaa.gov/com (accessed 12/20/2021).
10. Силкин А.А. Синтез и анализ алгоритмов определения пространственной ориентации беспилотной аэродинамической платформы по измерениям магнитного поля Земли/диссерт.на соиск.уч. степени канд. техн. наук/Инст.машиноведения им.А.А. Благонравова РАН. -М.,2002.10. Silkin A.A. Synthesis and analysis of algorithms for determining the spatial orientation of an unmanned aerodynamic platform based on measurements of the Earth's magnetic field / dissertation. degree cand. tech. Sciences / Institute of Mechanical Engineering named after A.A. Blagonravov RAS. -M., 2002.
11. Пат RU №2503 810 МПК Е21 В 47/22. Способ автономной ориентации инклинометра в скважине, опубл. 10.01.2014.11. Pat RU No. 2503 810 IPC E21 B 47/22. The method of autonomous orientation of the inclinometer in the well, publ. 01/10/2014.
12. Биндер Я.И. Падерина Т.В. Бесплатформенный инерциальный измерительный модуль: компасирование и калибровка на подвижном основании в условиях ограничения угловых перемещений /Гироскопия и навигация, №4 2003, С.30-40.12. Binder Ya.I. Paderina T.V. Strapdown inertial measuring module: compassing and calibration on a movable base in conditions of limited angular displacements / Gyroscopy and navigation, No. 4 2003, P. 30-40.
13. Патент RU №2653967 С1 МПК G 01 21/00 Способ автономной ориентации подвижных объектов /авторы: Проскуряков Г.М. и др./Патентообладатель-ФГБОУ ВО Сарат.госуд. техн. ун-т им. Гагарина Ю.А. от 20.06.2017, опубл.15.05.2018, Бюлл. №14.13. Patent RU No. 2653967 C1 IPC G 01 21/00 Method for autonomous orientation of moving objects /authors: Proskuryakov G.M. et al./Patentee-FGBOU VO Sarat.gosud. tech. un-t im. Gagarina Yu.A. dated 06/20/2017, publ. 05/15/2018, Bull. No. 14.
14. Игнатьев А.А., Проскуряков Г.М. Гетеромагнитометрия: алгоритмы, методики, калибровки блоков магнитометров. Саратов: Изд-во Сарат.ун-та, 2014. -152 с. 14. Ignatiev A.A., Proskuryakov G.M. Heteromagnetometry: algorithms, techniques, calibration of magnetometer blocks. Saratov: Publishing House of Sarat.un-ta, 2014. -152 p.
15. Патент RU №2757828 МПК G05D 1/00; G 05 В23/00; G06F 11/00. Способ восстановления векторной информации в информационно-измерительных системах /авторы: Проскуряков Г.М., Голованов П.Н., Пыльский В.А./Патентообладатель -ФГБОУ ВО Сарат.госуд. техн. ун-т им. Гагарина Ю.А. от 15.12.2020, опубл.21.10.2021, Бюлл. №30.15. Patent RU No. 2757828
16. Корюкин М.С.Построение алгоритмов функционирования интегрированной с СНС безгироскопной системы ориентации летательного аппарата (материалы VII конференции молодых ученых «Навигация и управление движением»/Под общ. ред. акад. РАН В, Г. Пешехонова, - СПб.: ГНЦ РФ ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2006, -С.282-287.16. Koryukin M.S. Construction of algorithms for the operation of a gyroscope-free aircraft orientation system integrated with SNS (materials of the VII conference of young scientists "Navigation and motion control" / Under the general editorship of Academician RAS V, G. Peshekhonov, - St. Petersburg: SSC RF JSC Concern Central Research Institute Elektropribor, 2006, -p.282-287.
17. Бранец В.Н. Лекции по теории бесплатформенных инерциальных навигационных систем управления: Учеб. пособие. -М.: МФТИ,2009. -304 с. 17. Branets V.N. Lectures on the theory of strapdown inertial navigation control systems: Proc. allowance. -M.: MIPT, 2009. -304 p.
Claims (1)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2787971C1 true RU2787971C1 (en) | 2023-01-13 |
Family
ID=
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2800846C1 (en) * | 2022-11-28 | 2023-07-31 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.) | Method of autonomous inertial orientation of moving objects |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US9817102B1 (en) * | 2016-06-10 | 2017-11-14 | Apple Inc. | De-weighting of outlier signals in a radio frequency navigation system |
RU2713078C1 (en) * | 2016-12-22 | 2020-02-03 | Открытое акционерное общество Московский научно-производственный комплекс "Авионика" имени О.В. Успенского (ОАО МНПК "Авионика") | Method of determining angles of spatial orientation |
WO2020252575A1 (en) * | 2019-06-17 | 2020-12-24 | Rohit Seth | Relative position tracking using motion sensor with drift correction |
RU2745083C1 (en) * | 2020-04-28 | 2021-03-19 | Акционерное общество "Аэроприбор-Восход" | Methods of generating data on the orientation of the object and the navigation system of the aircraft for their implementation |
RU2745364C1 (en) * | 2020-07-21 | 2021-03-24 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт электромеханики" (АО "НИИЭМ") | Satellite gravity gradiometry method |
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US9817102B1 (en) * | 2016-06-10 | 2017-11-14 | Apple Inc. | De-weighting of outlier signals in a radio frequency navigation system |
RU2713078C1 (en) * | 2016-12-22 | 2020-02-03 | Открытое акционерное общество Московский научно-производственный комплекс "Авионика" имени О.В. Успенского (ОАО МНПК "Авионика") | Method of determining angles of spatial orientation |
WO2020252575A1 (en) * | 2019-06-17 | 2020-12-24 | Rohit Seth | Relative position tracking using motion sensor with drift correction |
RU2745083C1 (en) * | 2020-04-28 | 2021-03-19 | Акционерное общество "Аэроприбор-Восход" | Methods of generating data on the orientation of the object and the navigation system of the aircraft for their implementation |
RU2745364C1 (en) * | 2020-07-21 | 2021-03-24 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт электромеханики" (АО "НИИЭМ") | Satellite gravity gradiometry method |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2800846C1 (en) * | 2022-11-28 | 2023-07-31 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.) | Method of autonomous inertial orientation of moving objects |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN103196445B (en) | Based on the carrier posture measuring method of the earth magnetism supplementary inertial of matching technique | |
CN104374388A (en) | Flight attitude determining method based on polarized light sensor | |
Sun et al. | Accuracy improvement of SINS based on IMU rotational motion | |
Fresk et al. | A generalized reduced-complexity inertial navigation system for unmanned aerial vehicles | |
CN112556724A (en) | Initial coarse alignment method for low-cost navigation system of micro aircraft in dynamic environment | |
Al-Jlailaty et al. | Efficient attitude estimators: A tutorial and survey | |
CN110514200A (en) | A kind of inertial navigation system and high revolving speed posture of rotator measurement method | |
RU2787971C1 (en) | Method for autonomous orientation of objects in near-earth space | |
CN110940336B (en) | Strapdown inertial navigation simulation positioning resolving method and device and terminal equipment | |
CN111060140B (en) | Polar region inertial navigation error obtaining method under earth ellipsoid model | |
CN111026139B (en) | Three-dimensional model posture adjustment control method based on flight track | |
Zhang et al. | Research on auto compensation technique of strap-down inertial navigation systems | |
Zhu et al. | Accuracy improvement of a redundant inertial measurement unit brought about by the dual-axis rotational motion | |
RU2800846C1 (en) | Method of autonomous inertial orientation of moving objects | |
Binder | Construction of a geographically oriented horizon trihedron in gyroscopic orientation systems intended to aid navigation dead reckoning part 1. Gyroscopic orientation with a correctable pendulum. Implementation in a free gyroscope | |
RU2826826C2 (en) | Autonomous complex for correction of inertial systems of platform orientation and navigation of mobile objects | |
CN115993114A (en) | Two-position smooth and accurate north-seeking method based on MEMS gyroscope north-seeking instrument | |
RU2806707C1 (en) | Method of strapdown inertial navigation | |
RU2784859C1 (en) | Method for platform-free orientation of moving objects | |
Sotak | Testing the coarse alignment algorithm using rotation platform | |
Schneider | Vector principles of inertial navigation | |
RU2059205C1 (en) | Method of determination of orientation and navigation parameters of mobile objects | |
RU2782334C1 (en) | Method for determining object orientation parameters using semi-analytical inertial navigation system with geographical orientation of four-axis gyroplatform axes | |
RU2758807C1 (en) | Installation for demonstration of the micromechanical artificial horizon | |
CN114322970B (en) | Dual gyroscope north-seeking method, system and storage medium |