[go: up one dir, main page]
More Web Proxy on the site http://driver.im/

RU2787971C1 - Способ автономной ориентации объектов в околоземном пространстве - Google Patents

Способ автономной ориентации объектов в околоземном пространстве Download PDF

Info

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
Application number
RU2022116056A
Other languages
English (en)
Inventor
Герман Михайлович Проскуряков
Виктор Александрович Пыльский
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.) filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.)
Application granted granted Critical
Publication of RU2787971C1 publication Critical patent/RU2787971C1/ru

Links

Images

Abstract

Изобретение относится к способу бесплатформенной автономной ориентации подвижных объектов в околоземном пространстве. Для ориентации подвижных объектов формируют первичную приборную информацию о векторе кажущегося ускорения
Figure 00000201
и векторе напряженности результирующего магнитного поля
Figure 00000202
по сигналам предварительно откалиброванных трехосных блоков акселерометров и магнитометров, а также на последующей обработке этой информации с учетом использования навигационной информации, получаемой от спутниковой навигационной системы, корректируют их с учетом результатов предварительно выполненных технологических калибровок, приводят к осям ортонормированного базиса m=XYZ, связанного с объектом
Figure 00000203
затем на основе использования навигационной информации от спутниковой навигационной системы вычисляют компоненты векторов поля тяжести Земли
Figure 00000204
геомагнитного поля
Figure 00000205
и кажущегося ускорения
Figure 00000206
приведенных к осям базиса q, и наконец, по скорректированным и приведенным к базисам m и q векторам
Figure 00000207
определяют параметры ориентации объекта с использованием безынтегральных алгоритмов бесплатформенной обработки векторной информации. Обеспечивается повышение точности решения задач ориентации подвижных объектов. 2 ил., 5 табл.

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.
При решении задач пространственной ориентации подвижных объектов (ПО) в околоземном пространстве, предпочтение отдают способам автономной ориентации, соответствующим бесплатформенным и безгироскопным технологиям [1, 2]
Известен геометрический способ автономной ориентации ПО в околоземном пространстве на основе использования платформенных гироскопических технологий [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]:
- комбинации трехстепенных (свободных и корректируемых) гироскопов в кардановых подвесах (гироскопов направления, гирокомпасов, гирорбитантов, гировертикалей, геровертикантов и пр.),
- курсовертикалей гироскопических (КВГ),
- комбинации одноосных (ОГС) и двухосных (ДГС) гиростабилизаторов,
- трехосных индикаторных, силовых и индикаторно-силовых гиростабилизаторов (ТГС) с гиростабилизированными платформами (ГСП),
- систем трех и нескольких одноосных гиростабилизаторов (ОГС),
- гироазимутгоризонтов (ГАГ) на основе использования схем ОГС, ДГС, ТГС и др. Во всех вариантах построения ГСО используют принцип физического
моделирования отсчетных базисов, воспроизводимых материально с помощью трех ортов:
Figure 00000001
где
Figure 00000002
- векторы кинетических моментов и их модули для i-ых гироскопов.
Для схем ГСО, построенных с учетом использования только двух гироскопов с кинетическими моментами
Figure 00000003
отсчетный базис
Figure 00000004
строят на основе следующих ортов:
Figure 00000005
В общем случае отсчетная система координат, построенная на основе ортов
Figure 00000006
Figure 00000007
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).
К недостаткам геометрического способа автономной ориентации ПО на основе использования ГСО следует отнести следующее:
- большие габариты и массы ГСО,
- необходимость проведения операций коррекций ГСО, т.к. гироскопы «уходят в пространстве» вследствие проявления их дрейфа, обусловленного свойством астатизма,
- использование ГСО на ПО накладывает некоторые ограничения на пространственные маневры объектов в силу проявления геометрических свойств выбиваемости гироскопов, обусловленных явлением «складывания рамок» кардановых подвесов.
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.
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].
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].
В качестве исходной математической модели вращательного движения любого ПО в пространстве во всех способах ТРИО принимают кинематическое уравнение вращения твердого тела:
Figure 00000008
где
Figure 00000009
- вектор абсолютной угловой скорости вращения объекта в инерциальном пространстве, измеряемый с помощью блока гироскопов,
Figure 00000010
- вектор переносной угловой скорости вращения объекта вместе с вращающейся Землей в инерциальном пространстве,
Figure 00000011
Figure 00000012
- вектор относительной угловой скорости вращения объекта относительно Земли.
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].
Интегральный алгоритм ТРИО в терминах трехмерных параметров (эйлеровых углов) [6]:
Figure 00000013
Интегральный алгоритм ТРИО в терминах четырехмерных параметров (параметров Родрига-Гамильтона) в кватернионной и векторно-матричной формах [17]:
Figure 00000014
Интегральный алгоритм ТРИО в терминах девятимерных параметров (направляющих косинусов матрицы А (3×3) ориентации ПО) [3, 4, 6, 17]:
Figure 00000015
В алгоритмах (4) - (8) приняты следующие обозначения:
Figure 00000016
- оценки эйлеровых углов (углов курса, тангажа (дифферента), крена(вращения), соответственно),
Figure 00000017
- оценки кватернионов конечного поворота и вектора
Figure 00000018
Figure 00000019
знак кватернионного произведения кватернионов,
Figure 00000020
- квадратные матрицы (4×4),
Figure 00000021
- оценка матрицы ориентации ПО (3×3),
Figure 00000022
- обратная матрица (3×3) при векторе
Figure 00000023
Figure 00000024
- тензоры векторов
Figure 00000025
Figure 00000026
- оценки начальных значений эйлеровых углов, кватерниона и матрицы ориентации, соответственно.
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].
Во всех интегральных алгоритмах ориентации ПО (4) - (8) компоненты вектора угловой скорости
Figure 00000027
измеряемые с помощью трехосного блока гироскопов (ТБГ), находятся под знаком интеграла. В реальных условиях показания ТБГ содержат наряду с полезными сигналами
Figure 00000028
мультипликативные
Figure 00000029
и аддитивные
Figure 00000030
погрешности:
Figure 00000031
)
Из анализа интегральных алгоритмов ориентации ПО (4) - (8) с учетом выражений (9) для реальных измерений
Figure 00000032
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
Figure 00000033
Из-за проявления этого общего недостатка все способы инерциальной ориентации ПО имеют ограничения по времени работы БСО или нуждаются в использовании дополнительных приемов коррекции.
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).
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].
В научно-технической литературе способ получил название способа аналитического горизонт-компасирования (АГК). Способ АГК реализуют в трех вариантах:
- двухвекторном АГК на основе инерциальной информации о векторах
Figure 00000034
Figure 00000035
Figure 00000036
- двухвекторном АГК на основе магнито-интерциальной информации о векторах
Figure 00000037
- трехвекторном комбинированном АГК на основе объединения двухвекторных способов
Figure 00000038
В вариантах способа АГК приняты обозначения векторов ГФП:
Figure 00000039
- вектора напряженности поля тяжести Земли (ПТЗ),
Figure 00000040
- вектора напряженности магнитного поля Земли (МПЗ),
Figure 00000041
- вектора угловой скорости собственного суточного вращения Земли.
Во всех трех вариантах способа АГК информацию о векторе
Figure 00000042
получаемую с помощью трехосных блоков акселерометров (ТБА), используют для решения задачи аналитического горизонтирования (АГ), т.е. задачи определения углов
Figure 00000043
отклонения ПО от плоскости горизонта аналитическим путем на основе алгоритмической обработки информации ТБА в связанном с объектом базисе т:
Figure 00000044
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]:
Figure 00000045
где
Figure 00000046
- ускорение свободно падающего тела на экваторе,
Figure 00000047
а - большая полуось референц-эллипсоида фигуры Земли,
а = 6378245, м,
h -географическая высота, h = r - R,
R - средний радиус Земли, R=6378211 м,
α2 - квадрат эксцентриситета сжатия Земли,
Figure 00000048
b - малая полуось фигуры Земли, b=6356863 м,
ϕ - географическая широта точки наблюдения,
q - отношение центростремительного ускорения к ускорению на экваторе:
Figure 00000049
Ω - угловая скорость вращения Земли,
Figure 00000050
Радиус-вектор
Figure 00000051
точки наблюдения с координатами
Figure 00000052
вычисляют по формуле:
Figure 00000053
На основе компонент векторов
Figure 00000054
вычисленных по формулам (10), (11), формируют уравнение АГ:
Figure 00000055
где
Figure 00000056
- матрицы (3×3) углов крена γ и тангажа ϑ.
Путем решения скалярных уравнений, получаемых из векторно-матричного уравнения (15), формируют алгоритмы АГ:
Figure 00000057
После решения задачи АГ составляют уравнения аналитического компасирования (АК) для двух вариантов:
- для аналитического компасирования инерциального (АКИ),
Figure 00000058
- для магнитометрического аналитического компасирования (МАК), (g Т - АК).
Figure 00000059
Figure 00000060
Figure 00000061
Figure 00000062
где
Figure 00000063
- транспонированные матрицы (3×3) углов тангажа и крена ПО,
Figure 00000064
- проекции вектора
Figure 00000065
на оси связанного базиса m (определяют по показаниям трехосного блока магнитометров (ТБМ))
Figure 00000066
- проекции вектора
Figure 00000067
МПЗ на оси географического базиса q (вычисляют по модели нормального МПЗ [9],
Figure 00000068
- 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:
Figure 00000069
Из решений уравнений (17) и (18) получают алгоритмы АК (АКИ и МАК).
Алгоритм АКИ
Figure 00000070
Figure 00000071
Алгоритм МАК (g Т - вариант):
Figure 00000072
Причем
Figure 00000073
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].
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
Figure 00000074
а при работе в средах с аномальными магнитными свойствами вычисляют параметры ориентации по сигналам
Figure 00000075
. Таким образом, обработку многомерной магнито-инерциальной информации
Figure 00000076
выполняют по схеме реконфигурации алгоритмов (g Ω -АГК или g T-АГК).
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).
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).
Кроме того, алгоритмы АКИ (20) и МАК (21) вырождаются в районах географических (cosϕ = 0) и геомагнитных
Figure 00000077
полюсов, а также не обеспечивают необходимой точности решения задачи автономной ориентации в околополярных районах (с географической широтой
Figure 00000078
из-за близости векторов
Figure 00000079
к условиям квазиколлинеарности
Figure 00000080
В этих же районах проявляется повышенная чувствительность алгоритмов АГК к погрешностям первичных измерений
Figure 00000081
С учетом отмеченных недостатков способ АГК в основном нашел практическое применение для решения задач НАВ ПО в предстартовых условиях [12].
Однако и в этих случаях для повышения точности решения задачи автономной ориентации ПО необходимо минимизировать погрешности в магнитометрическом
Figure 00000082
и инерциальном
Figure 00000083
каналах измерений.
Известен способ автономной пространственной ориентации (АПО) ПО, заключающейся в составлении матричного уравнения, характеризующего преобразование векторов ГФП
Figure 00000084
из географического базиса
Figure 00000085
в связанный с объектом базис
Figure 00000086
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].
Способ оперирует с информацией о векторах ГФП
Figure 00000087
и поэтому назван способом ориентации векторным автономным (СОВА).
По доступной информации предварительно вычисляют векторы ПТЗ
Figure 00000088
МПЗ
Figure 00000089
и поля вращения Земли
Figure 00000090
в географическом q и m связанном базисах
Figure 00000091
Вектор
Figure 00000092
вычисляют с учетом результатов предварительно выполненных метрологических тарировок и технологических калибровок в соответствии с расширенным уравнением Пуассона [14]:
Figure 00000093
где
Figure 00000094
- вектор напряженности результирующего магнитного поля, сформированного по показаниям ТБМ и приведенного к осям приборного отсчетного базиса р.
Figure 00000095
- вектор напряженности МПЗ в точке наблюдения, приведенный к географическому базису q,
Figure 00000096
- компоненты вектора напряженности магнитного поля объекта (МПО), отнесенного к осям связанного базиса m,
Figure 00000097
- аналогичные компоненты вектора, обусловленного влиянием электромагнитных источников (ЭМИ) помех,
Figure 00000098
- единичная матрица (3×3),
Figure 00000099
- матрица коэффициентов Пуассона (3×3),
Figure 00000100
- матрица погрешностей сборки ТБМ (3×3),
Figure 00000101
- матрица погрешностей монтажа ТБМ на объекте (3×3).
Компоненты векторов
Figure 00000102
в осях географического q базиса вычисляют с учетом данных СНС
Figure 00000103
по моделям нормальных ГФП [8, 9, 14]:
Figure 00000104
Геомагнитный потенциал представляют с помощью сферических рядов Гаусса [8]:
Figure 00000105
где m, n - степень и порядок членов разложения,
Figure 00000106
- присоединенные функции Лежандра.
На основе навигационной информации (ϕ, λ, h), получаемой от СНС, вычисляют компоненты вектора кажущегося ускорения
Figure 00000107
в географическом базисе [1, 2]:
Figure 00000108
где rϕ, rλ радиусы кривизны эквидистантного референц-эллипсоида [8].
Figure 00000109
Компоненты вектора
Figure 00000110
определяют на основе данных СНС [1, 2]:
Figure 00000111
Вектор
Figure 00000112
определяют путем численного дифференцирования.
Расширяют ГФИ за счет вычисления на основе способа восстановления векторной информации [15] вектора
Figure 00000113
в связанном базисе, а также путем вычисления дополнительных векторов [13] в базисах m и q:
Figure 00000114
На основе вычисленных по формулам (11) - (13), (26) - (33), (3), (23) векторов составляют матричное уравнение АПО в условиях функциональной избыточности информации:
Figure 00000115
В соответствии с принципом декомпозиции разбивают матричное уравнение (34) на частные матричные уравнения идентификации с квадратными матрицами (3) вида:
Figure 00000116
где
Figure 00000117
- матрица приборной информации и ГФИ в связанном базисе m (3×3),
Figure 00000118
- матрица идентификации (3×3) для k-ого варианта.
Максимально возможное число вариантов построения матричных уравнений идентификации вида (35) составляет
Figure 00000119
Для практических целей из соображений экономии объема оперативной памяти бортового вычислителя достаточно использовать ограниченное число вариантов
Figure 00000120
Figure 00000121
например,
Figure 00000122
Алгоритмы АПО для способа СОВА получают путем обращения уравнений идентификации (35):
Figure 00000123
По алгоритмам АПО (37) вычисляют оценки направляющих косинусов
Figure 00000124
матрицы ориентации
Figure 00000125
для к-ого варианта.
Используют операцию сравнения оценок (37) и вычисления выровненной оценки матрицы ориентации
Figure 00000126
Figure 00000127
По вычисленным значениям направляющих косинусов матрицы ориентации определяют оценки эйлеровых углов по формулам [13]:
Figure 00000128
Значения, знаки оценок вычисленных эйлеровых углов
Figure 00000129
а также положение ПО относительно осей географического базиса (q=NHE) определяют с помощью табл.1, 2, 3.
Для формирования первичной приборной информации
Figure 00000130
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.
Figure 00000131
Figure 00000132
Figure 00000133
Достоинством способа СОВА является и то, что для его реализации не требуется выполнять операции начальной автономной выставки (НАВ) СОН. Недостатки способа СОВА:
- применение ТБГ приводит к снижению точности решения задачи автономной ориентации из-за проявления дрейфа гироскопов,
- сложность алгоритмов обработки информации с учетом функциональной избыточности информации в способе СОВА повышает требования к вычислительным характеристикам микроконтроллера (быстродействию, длине разрядной сетки, информационной производительности).
Известен безгироскопный способ полуавтономной двухвекторной ориентации ПО в пространстве, основанный на комплексном использовании: спутниковой навигационной
Figure 00000134
магнитометрической
Figure 00000135
и инерциальной
Figure 00000136
информации [16].
Этот способ наиболее близок к заявленному способу и поэтому принят за прототип.
В магнито-инерциально-спутниковом способе (МИСС DIADA) задачу полуавтономной ориентации ПО решают на основе комплексной обработки двухвекторной
Figure 00000137
и спутниковой
Figure 00000138
информации (по аналогии со способом векторного согласования TRIAD А).
Сущность способа МИСС DIADA заключается в вычислении на основе первичной магнито-инерциальной информации
Figure 00000139
оценок направляющих косинусов
Figure 00000140
Figure 00000141
матрицы
Figure 00000142
ориентации ПО с последующим определением эйлеровых углов
Figure 00000143
Способ МИСС DIADA является частным случаем способа СОВА [13]. К достоинствам способа МИСС DIADA следует отнести следующее:
- отсутствие в ППИ сигналов ТБГ с дрейфом гироскопов способствует повышению показателя точности решения задачи ориентации ПО,
- обработка информации по алгоритмам МИСС DIADA может быть включена и выключена в любой момент времени работы системы ориентации без предварительного выполнения операций НАВ.
Недостатки способа МИСС DIADA:
- 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,
- в алгоритмах обработки информации в способе МИСС DIADA на основе ортов
Figure 00000144
строят не географический отсчетный базис
Figure 00000145
а условный повернутый относительно базиса q трехгранник, с осями, направления которых определяют с помощью ортов, не совпадающих с ортами
Figure 00000146
:
Figure 00000147
- возможно нарушение работы МК вследствие того, что в алгоритмах обработки информации по способу МИСС DIADA используют операцию вычисления функции тангенса
Figure 00000148
склонной к разрыву
Figure 00000149
- система ориентации, построенная по способу МИСС DIADA, не обладает повышенными показателями надежности и отказоустойчивости в РАР из-за отсутствия условия функциональной избыточности информации.
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.
В задачу настоящего изобретения входит разработка способа автономной бесплатформенной ориентации ПО в околоземном пространстве, свободного от недостатков аналогов и прототипа.
Решение поставленной задачи достигают за счет усовершенствования способа обработки магнито-инерциально-спутниковой информации (МИС-информации):
- путем усовершенствования алгоритмов обработки информации в магнитометрическом канале, с целью учета технологических особенностей ТБМ и магнитных свойств самого ПО,
- за счет разработки более совершенных и эффективных алгоритмов обработки МИС-информации в соответствии с технологией алгоритмического обеспечения автономной пространственной ориентации (АПО) [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.
Сущность предлагаемого способа (МИМОЗА) заключается определении оценок направляющих косинусов матрицы ориентации
Figure 00000150
ПО путем комплексной обработки МИС-информации с учетом технологических особенностей магнито-метрического канала с последующим вычислением оценок эйлеровых углов
Figure 00000151
ориентации объекта по невыбиваемым всережимным алгоритмам.
Предлагаемый способ поясняется с помощью Фиг. 1, 2. На Фиг. 1 представлена функциональная схема способа МИМОЗА,
1 - блок операций технологических (инструментальных и объектовых) калибровок,
2 - блок операций формирования и преобразования первичной приборной информации (ППИ),
3 - блок вычислительных операций в МК по алгоритмам МИМОЗА,
4 - блок вычислительных операций в МК по алгоритмам КАСКАД.
На ФИГ.2 представлена схема алгоритмического обеспечения способа МИМОЗА.
5 - алгоритмы технологического обеспечения модуля (АТОМ),
6 - алгоритмы обработки МИС-информации (МИМОЗА),
7- комплексные алгоритмы самоконтроля и комбинированной автономной диагностики (КАСКАД).
Сущность способа МИМОЗА заключается в последовательном выполнении операций измерений, формирования ППИ и ее комбинированной обработки (ФИГ. 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].
Обработку технологической информации (ТИ) выполняют по алгоритмам технологического обеспечения модуля (АТОМ) (поз.5 на Фиг. 2).
2. На основе результатов измерений векторов
Figure 00000152
в приборном измерительном базисе
Figure 00000153
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):
Figure 00000154
где
Figure 00000155
- транспортированная матрица монтажа модуля на объекте,
Figure 00000156
- обратные матрицы сборки ТБМ и ТБА, соответственно.
3. Выполняют основные операции обработки МИС-информации по алгоритмам МИМОЗА (поз.3 на Фиг. 1, поз.6 на Фиг. 2).
Вычисляют компоненты векторов
Figure 00000157
в географическом базисе q по формулам (27)-(32) с учетом использования навигационной информации от СНС
Figure 00000158
Вычисляют дополнительный вектор
Figure 00000159
в связанном (т) и географическом (q) базисах:
Figure 00000160
С учетом вычисленных векторов составляют основное уравнение способа МИМОЗА в матричной форме:
Figure 00000161
Или в компактных формах:
Figure 00000162
где Р- матрица приборной информации, N -матрица идентификации (3×3).
Матрицу ориентации ПО А определяют через направляющие косинусы
Figure 00000163
Figure 00000164
углов между ортами связанного
Figure 00000165
и географического
Figure 00000166
базисов:
Figure 00000167
Путем обращения матричного уравнения (45) (или (46), (47)) получают основной алгоритм обработки информации с целью вычисления оценки матрицы ориентации
Figure 00000168
по способу МИМОЗА:
Figure 00000169
где
Figure 00000170
- обратная и союзная матрицы,
det N - детерминант матрицы идентификации N.
Проверяют выполнение условия невырожденности матрицы идентификации N:
Figure 00000171
По формулам (39) и табл.1-3 вычисляют оценки эйлеровых углов
Figure 00000172
и определяют их знаки.
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):
Figure 00000173
Аналогичным образом выполняют контрольные операции над компонентами дополнительных векторов (33).
Проверку правильности вычисления оценок параметров ориентации ПО выполняют по алгоритмам автономного контроля и нормировки (АКН) [17]:
Figure 00000174
По результатам выполнения операций АКН по алгоритмам КАСКАД в заключение производят операции коррекции и нормировки результатов вычислений в блоке поз.3 (Фиг. 1) [17].
Практическая реализация предлагаемого способа МИМОЗА может быть выполнена как на импортной, так и на отечественной элементной базе (табл.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:
Figure 00000175
что соответствует уровню достижимых показателей для существующих (табл.4), а тем более для перспективных векторных датчиков.
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:
- измерение компонент вектора
Figure 00000176
с помощью ТБМ с допустимой погрешностью
Figure 00000177
(с точностью до второго знака после запятой),
- измерение компонент вектора n с помощью ТБА с допустимой погрешностью
Figure 00000178
(с точностью до пятого знака после запятой),
- вычисление в МК функций эйлеровых углов с допустимой погрешностью, не превышающей 0,001%(с точностью до шестого знака после запятой).
Для сравнения следует указать на то, что в современных цифровых пилотажно-навигационных комплексах обработку информации выполняют с длиной разрядной сетки в 16... 32 знака.
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:
Figure 00000179
При допустимой погрешности δγ = 1'' для высокоманевренного ПО
Figure 00000180
Figure 00000181
частота
Figure 00000182
Для маломаневренных ПО эта частота обновления информации в БСО
Figure 00000183
может быть снижена на 1…2 порядка. Частота обновления информации в пилотажном
Figure 00000184
и навигационном
Figure 00000185
должны удовлетворять условию согласования:
Figure 00000186
При частоте обновления навигационной информации
Figure 00000187
(от СНС) условие (55) выполняется с большим запасом.
С другой стороны, шаговая частота информации в
Figure 00000188
должна быть согласована с тактовой частотой
Figure 00000189
обработки приборной, геофизической и пилотажно-навигационной информации в МК:
Figure 00000190
При выборе современных бортовых вычислителей (табл.4) условие (56)выполняется.
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.
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.
Кроме того, в соответствии с алгоритмами беслатформенной обработки информации (37Н39), (табл.1-3)
- сняты всякие ограничения на условия выполнения пространственных маневров ПО (т.е. обеспечиваются условия всеманевренности и всережимности работы БСО),
- не требуется предварительное выполнение операций начальной автономной выставки (НАВ).
Figure 00000191
Figure 00000192
Для БСО, реализующей алгоритмы МИМОЗА, важно выполнить три режима работы в 3 этапа:
- режим (этап) технологической подготовки,
- штатный режим (этап) работы,
- режим (этап) самотестирования и самодиагностики.
В конструктивном отношении БСО, реализующая способ МИМОЗА, может быть построена по одному их трех вариантов:
- в виде единого моноблока (модуля),
- в виде набора отдельных блоков,
- в смешанном варианте.
Вычислитель БСО может быть реализован по схеме, встроенной в измерительный модуль конструкции или в виде отдельного вычислительного блока.
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.
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.
Перечень литературных и патентных источников
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.
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.
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.
4. Рахтеенко Е.Р.Гироскопические системы ориентации. - М.: Машиностроение, 1989.-232 с.
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.
6. Проскуряков Г.М., Плотников П.К. Геометрия и кинематика пространственного состояния подвижных объектов: учебн. пособие/Сарат.техн. ун-т, Саратов, 2008. -155 с.
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.
8. Руководство по Всемирной геодезической системе - 1984 (WGS-84)/-Международная организация гражданской авиации IKAO, изд.2ое,2002, DOC 9674.
9. International Geomagnetic Reference Field IGRF WMM-20, URL: // www.ngdc.noaa.gov/com (дата обращения: 20.12.2021).
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.
11. Пат RU №2503 810 МПК Е21 В 47/22. Способ автономной ориентации инклинометра в скважине, опубл. 10.01.2014.
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.
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.
14. Игнатьев А.А., Проскуряков Г.М. Гетеромагнитометрия: алгоритмы, методики, калибровки блоков магнитометров. Саратов: Изд-во Сарат.ун-та, 2014. -152 с.
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.
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.
17. Бранец В.Н. Лекции по теории бесплатформенных инерциальных навигационных систем управления: Учеб. пособие. -М.: МФТИ,2009. -304 с.

Claims (1)

  1. Способ бесплатформенной автономной ориентации подвижных объектов в околоземном пространстве, основанный на формировании первичной приборной информации о векторе кажущегося ускорения
    Figure 00000193
    и векторе напряженности результирующего магнитного поля
    Figure 00000194
    по сигналам предварительно откалиброванных трехосных блоков акселерометров и магнитометров, а также на последующей обработке этой информации с учетом использования навигационной информации, получаемой от спутниковой навигационной системы, с целью определения параметров ориентации объекта, отличающийся тем, что сначала на основе способа восстановления векторной информации измеренные векторы
    Figure 00000195
    корректируют с учетом результатов предварительно выполненных технологических калибровок и приводят к осям ортонормированного базиса m=XYZ, связанного с объектом
    Figure 00000196
    затем на основе использования навигационной информации от спутниковой навигационной системы вычисляют компоненты векторов поля тяжести Земли
    Figure 00000197
    геомагнитного поля
    Figure 00000198
    и кажущегося ускорения
    Figure 00000199
    приведенных к осям базиса q, и наконец, по скорректированным и приведенным к базисам m и q векторам
    Figure 00000200
    определяют параметры ориентации объекта с использованием безынтегральных алгоритмов бесплатформенной обработки векторной информации.
RU2022116056A 2022-06-14 Способ автономной ориентации объектов в околоземном пространстве RU2787971C1 (ru)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2787971C1 true RU2787971C1 (ru) 2023-01-13

Family

ID=

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2800846C1 (ru) * 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.) Способ автономной инерциальной ориентации подвижных объектов

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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 (ru) * 2016-12-22 2020-02-03 Открытое акционерное общество Московский научно-производственный комплекс "Авионика" имени О.В. Успенского (ОАО МНПК "Авионика") Способ определения углов пространственной ориентации
WO2020252575A1 (en) * 2019-06-17 2020-12-24 Rohit Seth Relative position tracking using motion sensor with drift correction
RU2745083C1 (ru) * 2020-04-28 2021-03-19 Акционерное общество "Аэроприбор-Восход" Способы формирования данных об ориентации объекта и навигационный комплекс летательного аппарата для их реализации
RU2745364C1 (ru) * 2020-07-21 2021-03-24 Акционерное общество "Научно-исследовательский институт электромеханики" (АО "НИИЭМ") Способ спутниковой гравитационной градиентометрии

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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 (ru) * 2016-12-22 2020-02-03 Открытое акционерное общество Московский научно-производственный комплекс "Авионика" имени О.В. Успенского (ОАО МНПК "Авионика") Способ определения углов пространственной ориентации
WO2020252575A1 (en) * 2019-06-17 2020-12-24 Rohit Seth Relative position tracking using motion sensor with drift correction
RU2745083C1 (ru) * 2020-04-28 2021-03-19 Акционерное общество "Аэроприбор-Восход" Способы формирования данных об ориентации объекта и навигационный комплекс летательного аппарата для их реализации
RU2745364C1 (ru) * 2020-07-21 2021-03-24 Акционерное общество "Научно-исследовательский институт электромеханики" (АО "НИИЭМ") Способ спутниковой гравитационной градиентометрии

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2800846C1 (ru) * 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.) Способ автономной инерциальной ориентации подвижных объектов

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103196445B (zh) 基于匹配技术的地磁辅助惯性的载体姿态测量方法
CN104374388A (zh) 一种基于偏振光传感器的航姿测定方法
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 (zh) 动态环境下的微型飞行器低成本导航系统初始粗对准方法
Al-Jlailaty et al. Efficient attitude estimators: A tutorial and survey
CN110514200A (zh) 一种惯性导航系统及高转速旋转体姿态测量方法
RU2787971C1 (ru) Способ автономной ориентации объектов в околоземном пространстве
CN110940336B (zh) 捷联惯导仿真定位解算方法、装置及终端设备
CN111060140B (zh) 一种地球椭球模型下的极区惯性导航误差获得方法
CN111026139B (zh) 一种基于飞行轨迹的三维模型姿态调整控制方法
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 (ru) Способ автономной инерциальной ориентации подвижных объектов
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 (ru) Автономный комплекс для коррекции инерциальных систем платформенной ориентации и навигации подвижных объектов
CN115993114A (zh) 一种基于mems陀螺寻北仪的二位置平滑精准寻北方法
RU2806707C1 (ru) Способ бесплатформенной инерциальной навигации
Bento Development and validation of an IMU/GPS/Galileo integration navigation system for UAV
RU2784859C1 (ru) Способ бесплатформенной ориентации подвижных объектов
Sotak Testing the coarse alignment algorithm using rotation platform
Schneider Vector principles of inertial navigation
RU2059205C1 (ru) Способ определения параметров ориентации и навигации подвижных объектов
RU2782334C1 (ru) Способ определения параметров ориентации объекта при помощи полуаналитической инерциальной навигационной системы с географической ориентацией осей четырехосной гироплатформы
RU2758807C1 (ru) Установка для демонстрации микромеханического авиагоризонта