Инерциально-спутниковый модуль и комплексная инерциально- спутниковая система навигации, связи, освещения обстановки, управления и контроля

Инерциально-спутниковый модуль и комплексная инерциально- спутниковая система навигации, связи, освещения обстановки, управления и контроля

Реферат

 

Изобретение относится к навигации преимущественно морских судов и может быть применено для определения более чем одной навигационной величины с использованием средств космической навигации. Техническим результатом является повышение достоверности и точности выработки навигационных параметров, осуществляемой инерциально-спутниковым модулем, а также повышение достоверности вычислений, что позволило бы на базе получаемой более полной и точной информации о векторе состояния судна повысить безопасность судовождения, улучшить мореходность судна и контролировать его прочностные характеристики. Это достигается тем, что в инерциально-спутниковом модуле определяются девять интегральных параметров по каждой из погрешностей по трем координатам и трем проекциям линейной скорости в блоке определения интегральных погрешностей, на основе которых в блоке определения физичечских погрешностей определяются физические погрешности, которые затем компенсируются в навигационных параметрах, определяемых на основе показаний блока инерциальных датчиков. За счет размещения на корпусе объекта инерциально-спутниковых модулей появляется возможность определить линейные и угловые деформации объекта в блоках 13 определения линейных деформаций и блоках 14 определения угловых деформаций. По информации с базового инерциально-спутникового модуля 10 определяется положение объекта относительно -х объектов в блоке 18 освещения навигационной обстановки. Информация о текущих деформациях судна, поступающая на блок 16 регистрации, используется судоводителем. С выхода блока 17 навигационной связи информация о координатах и их производных объекта передается в эфир для выработки относительных параметров любым из других объектов. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к навигации преимущественно морских судов и может быть применено для определения более чем одной навигационной величины с использованием средств космической навигации.

В настоящее время известны различные навигационные приборы и системы, обладающие высокой эффектвностью и обеспечивающие повышение безопасности движения.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство подобного модуля, используемого в комплексе аппаратуры спутниковой радионавигационной системы NAVSTAR для летательного аппарата.

Известный инерциально-спутниковый модуль содержит приемоиндикатор спутниковой системы навигации, блок вработки относительных линейных и угловых координат спутника и объекта, выходы которого с первого по третий соединены соответственно с входами приемоиндикатора спутниковой навигационной системы с первого по третий, блок инерциальных датчиков и вычислитель вектора состояния объекта, первый и второй выходы которого соединены соответственно с первым и вторым выходами блока инерциальных датчиков.

Такой модуль решает задачу определения координат движущегося объекта на основании интегрирования ускорений в системе координат, связанной с местным горизонтом. Оценка погрешностей в данном модуле производится путем построения оптимального фильтра Калмана. Для построения последнего необходимо знание моделей погрешностей измерителей и возмущений, действующих на них. Реализация фильтра требует большой загрузки бортовой цифровой вычислительной системы при большом количестве оцениваемых параметров и связана с опасностью расхождения вычислительного процесса, что часто встречается на практике. Эти особености обуславливают недостаточную точность и надежность модуля и приводят к необходимости индивидуальной настройки навигационного фильтра.

Наиболее близкой к предлагаемой является комплексная инерциально-спутниковая система навигации, связи, освещения обстановки, управления и контроля, содержащая базовый инерциально-спутниковый модуль и последовательно соедиенные систему автоматического управления объектом, блок органов управления объектом и блок датчиков органов управления.

Такая комплексная система решает только навигационую задачу и ее свойства определяются характеристиками модуля, а именно она обладает недостаточной точностью и достоверностью из-за необходимости точного знания моделей погрешностей измерителей и возмущений, а также из-за возможности расхождения вычислительного процесса.

Техническим результатом изобретения является повышение доствоерности и точности выработки навигационых параметров, осуществляемой инерциально-спутниковым модулем, а также повышение достоверности вычислений, что позволило бы на базе получаемой более полной и точной информации о векторе состояния судна повысить безопасность судовождения, улучшить мореходность судна и контролировать его прочностные характеристики.

Это достигается тем, что в инерциально-спутниковый модуль, содержащий приемоиндикатор спутниковой системы навигации, блок выработки относительных линейных и угловых координат спутника и объекта, выходы которого с первого по третий соединены соответственно с входами приемоиндикатора спутниковой навигационной системы с первого по третий, блок инерциальных датичков и вычислитель вектора состояния объекта, первый и второй входы которого соединены соответственно с первым и вторым выходами блока инерциальных датчиков, введены блок выработки поправок, блок определения интегральных погрешностей, блок компенсации интегральных погрешностей, блок определения физических поправок и блок компенсации физических поправок, причем первый и второй выходы блока компенсации интегральных погрешностей соединены соответственно с первым и вторым входами блока выработки поправок и блока выработки относительных линейных и угловых координат спутника и объекта, третий вход которого соединен с первым выходом блока компенсации физических поправок, третий и четвертый входы блока выработки поправок соединены соответственно с первым и вторым выходами приемоиндикатора спутниковой системы навигации, а первый и второй выходы соединены соответственно с первым и вторым входами блока определения интегральной погрешности, первый и второй выходы которого соединены соответственно с первым и вторым входом блока определения физической погрешности и первым и вторым входом блока компенсации интегральной погрешности, тертий и четвертый входы которого соединены соответственно с первым и вторым выходами вычислителя вектора состояния объекта, входы блока компенсации физической погрешности с первого по четвертый соединены соответственно с выходами с первого по четвертый блока определения физической погрешности, а входы с пятого по восьмой соединены соответственно с выходами с третьего по шестой вычислителя вектора состояния объекта, первый и второй выходы блока компенсации интегральных погрешностей, первый, второй, третий и четвертый выходы блока компенсации физических погрешностей являются выходами инерциально-спутникового модуля соответственно с первого по шестой, седьмым его выходом является третий выход приемоиндикатора спутниковой навигационной системы.

Технический результат изобретения достигается также тем, что в комплексную инерциально-спутниковую систему навигации, связи, освещения обстановки, управления и контроля, содержащую базовый инерциально-спутниковый модуль и последовательно соединенные систему автоматического управления объектом, блок органов управления объектом и блок датчиков органов управления, введены n инерциально-спутниковых модулей, разнесенных по корпусу объекта, n блоков определения линейных деформаций, n блоков определения угловых деформаций, а также блок индикаторов, имеющий n первых и n вторых входов, блок регистрации, имеющий n первых и n вторых входов, блок определения возмущающих сил, блок определения инерционных сил, блок определения управляющих сил, блок навигационной связи и блок освещения навигационной обстановки, причем первый вход i-го блока определения линейных деформаций (i 1.n) соединен с седьмым выходом базового инерциально-спутникового модуля, а второй вход с седьмым выходом i-го инерциально-спутникового модуля, первый вход i-го блока определения угловых деформаций соединен с третьим выходом базового инерциально-спутникового модуля, а второй вход с третьим выходом i-го инерциально-спутникового модуля, входы системы автоматического управления объектом с первого по девятый соединены соответственно с выходами базового инерциально-спутникового модуля с третьего по шестой, с первым и вторым выходами базового инерциально-спутникового модуля, выходом блока определения возмущающих сил, блоком датчиков органов управления и выходом блока освещения навигационной обстановки, первый и второй входы блока определения возмущающих сил соединены соответственно с выходом блока определения инерциальных сил и выходом блока определения управляющих сил, вход которого соединен с выходом блока датчиков органов управления, первый и второй входы блока навигационной связи соединены соответственно с первым и вторым выходами инерциально-спутникового модуля, а первый и второй выходы соединены соответственно с первым и вторым входами блока освещения навигационной обстановки, третий и четвертый входы которого соединены соответственно с первым и вторым выходами базового инерциально-суптникового модуля, входы блока определения инерционных сил с первого по четвертый соединены соответственно с выходами базового инерциально-спутникового модуля с третьего по шестой, n первых входов блока индикации соединены соответственно с выходами n блоков определения линейных деформаций, n вторых его входов соединены соответственно с выходами n блоков определения угловых деформаций, n вторых его входов соединены соответственно с выходами n блоков определения угловых деформаций, третий вход соединен с третьим выходом базового инерциально-спутникового модуля, четвертый с выходом блока освещения навигационной обстановки, а пятый и шестой входы соединены соответственно с первым и вторым выходами базового инерциально-спутникового модуля, n первых входов блока регистрации соединены соответственно с выходами n блоков определения линейных деформаций, а n его вторых входов соответственно с выходами n блоков определения угловых деформаций.

В предлагаемом инерциально-спутниковом модуле осуществляется непрерывная оценка погрешностей шести параметров объекта (трех пространственных координат и трех проекций линейной скорости) путем определения девяти интегральных параметров по каждой из шести погрешностей методом наименьших квадратов и последующего определения этих шести погрешностей, а также определения физических погрешностей (погрешностей измерения составляющих ускорения, углов качки и рыскания, угловых скоростей и ускорений) по определенному алгоритму и непрерывная компенсация измеренных погрешностей в процессе работы инерциально-спутникового модуля.

Предлагаемая комплексная система навигации, связи, освещения обстановки, управления и контроля основана на использовании наиболее полной и точной информации о параметрах абсолютного движения судна, являющегося объектом управления, и о параметрах его относительного движения по отношению к встречным судам, о текущих значениях возмущающих сил, действующих на управляемый подвижный объект, о текущих значениях линейных и угловых деформаций корпуса управляемого подвижного объекта, что в совокупности позволяет реализовать в рассматриваемой комплексной системе оптимальный и адаптивный закон управления подвижным объектом во всех условиях эксплуатации, в том числе и в экстремальных условиях.

На фиг.1 представлена структурная схема инерциально-спутникового модуля; на фиг. 2 структурная схема комплексной системы навигации, связи, освещения обстановки, управления и контроля.

На чертежах позициями обозначены: приемоиндикатор 1 спутниковой навигационной системы, блок 2 выработки относительных линейных и угловых координт спутника и объекта, блок 3 инерциальных датчиков, вычислитель 4 вектора состояния объекта, блок 5 выработки поправок, блок 6 определения интегральных погрешностей, блок 7 компенсации интегральных погрешностей, блок 8 определения физических погрешностей, блок 9 компенсации физических погрешностей, базовый инерциально-спутниковый модуль 10, первый 11 и i-й 12 инерциально-спутниковые модули, блок 13 определения линейных деформаций, блок 14 определения угловых деформаций, блок 15 индикаторов, блок 16 регистрации, блок 17 навигационной связи, блок 18 освещения навигационной обстановки, система 19 автоматического управления объектом, блок 20 определения инерционных сил, блок 21 определения управляющих сил, блок 22 определения возмущающих сил, блок 23 датчиков органов управления, блок 24 органов управления объектом.

Инерциально-спутниковый модуль (фиг.1) включает приемоиндикатор 1 спутниковой навигационной системы, состоящий из последовательно соединенных антенны, усилителя высокой частоты, первого смесителя, усилителя промежуточной частоты, второго смесителя, а таже из m параллельных цепей, каждая из которых состоит из блока выделения допплеровской частоты, коррелятора и аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Входы блоков выделения допплеровской частоты объединены и соединены с выходом второго смесителя, выходы АЦП соединены с входами управляющего процессора (УП), управляющие входы коррляторов соединены с выходами генератора кода, управляющие входы смесителей соединены с выходами генератора опорной частоты, приемник имет три входа, которые соединены с входом УП, и три выхода, при этом первый выход через фазовый детектор соединен с выходом второго смесителя, а второй и третий выходы соединены с выходами УП. Блок 2 выработки относительных линейных и угловых координат спутника и объекта осдержит датчик параметров движения спутника и вычислитель соответствующих параметров относительного движения. Блок 2 имеет три входа и три выхода. Блок 3 инерциальных датчиков представляет собой три акселерометра и три лазерных гироскопа и имеет два выхода. Вычислистель 4 вектора состояния объекта имеет два входа и шесть выходов. Блок 5 выработки поправок представляет собой блок вычитателей и имеет первый, второй, третий и четвертый входы и первый и второй выходы. Блок 6 определения интегральных погрешностей представляет собой набор сумматоров и интеграторов, выполняющих по определенному алгоритму ряд операций и имеет первый и второй входы и первый и второй выходы. Блок 7 компенсации интегральных погрешностей представляет собой набор сумматоров и имеет первый, второй, третий и четвертый входы и первый и второй выходы. Блок 8 определения физических погрешностей представляет собой набор сумматоров и умножителей и имеет первый и второй входы и четыре выхода. Блок 9 компенсации физических погрешностей представляет собой набор сумматоров и имеет восемь входов и четыре выхода.

Блоки связаны между собой следующим образом: первый, второй и третий входы приемоиндикатора 1 спутниковой навигационной системы соединены соответственно с первым, вторым и третьим выходами блока 2 выработки относительных линейных и угловых координат, первый и второй входы которого соединены с первым и вторым входами блока 5 выработки поправок, третий и четвертый входы блока 5 соединены соответственно с вторым и третьим выходами приемоиндикатора 1, первый и второй выходы блока 5 соединены с первым и вторым входами блока 6 определения интегральных погрешностей, первый и второй выходы которого соединены соответственно с первым и вторым входами блока 7 компенсации интегральных погрешностей и с первым и вторым входами блока 8 определения физических погрешностей, первый, второй, третий и четвертый выходы блока 8 соединены с первым, вторым, третьим и четвертым входами блока 9 компенсации физических погрешностей, первый и второй выходы блока 3 инерциальных датчиков соединены с первым и вторым входами вычислителя 4 вектора состояния объекта, первый и второй выходы которого соединены соответственно с третьим и четвертым входами блока 7 компенсации интегральных погрешностей, третий, четвертый, пятый и шестой выходы вычислителя 4 соединены с пятым, шестым, седьмым и восьмым входами блока 9 компенсации физических погрешностей, первый и второй выходы блока 7 соединены с первым и вторым входами блока 2 выработки относительных линейных и угловых координат, третий вход блока 2 соединен с первым выходом блока 9, выходами инерциально-спутникового модуля являются четыре выхода блока 9 и первый и второй выходы блока 7, а также первый выход приемоиндикатора 1.

Инерциально-спутниковый модуль работает следующим образом.

Акселерометры блока 3 инерциальных датчиков вырабатывают сигналы, пропорциональные угловым скоростям поворота относительно связанных осей. Сигналы с выхода блока 3 поступают в вычислитель 4 вектора состояния объекта. Блок 3 и вычислитель 4 реализуют бесплатформенную инерциально-навигационную систему (БИНС). На выходе вычислителя 4 вектора состояния объекта вырабатываются сигналы, пропорциональные линейным координатам X_c, Y_c, Z_c и линейным скоростям X_c, Y_с, Z_c судна в общеземной системе координат, углам крена дифферента и рысканья, а также бковому ускорению судна, угловым скоростям и угловым ускорениям судна. Эти сигналы, как правило, содержат большие погрешности, которые накапливаются со временем, что свойственно инерциальным системам. Сигналы с первого и второго выходов (линейные координаты и скорости) вычислителя 4 вектора состояния объекта подаются на третий и четвертый входы блока 7 компенсации интегральных погрешностей. Приемоиндикатор 1 спутниковой навигционной системы вырабатывает сигналы высокой точности, пропорциональные линейным координатам и линейным скоростям судна, которые подаются на третий и четвертый входы блока 5 выработки поправок. Аналогичные сигналы, вырабатываемые ИНС (блок 3 и вычислитель 4), через блок 7 поступают на первый и второй входы блока 5, который вырабатывает сигналы погрешностей в измерении координат и скоростей и подает их на вход блока 6 определения интегральных погрешностей. При этом на первом выходе блока 5 вырабатываются сигналы погрешностей в измерении координат, а на втором выходе блока 5 сигналы погрешностей в измерении линейных скоростей. Установлено, что ошибка ИНС может быть представлена многочленом, который содержит тригонометрические члены с Шулеровским и суточным периодами и их комбинации и имеет вид x_i a_io + a_i1 cos Ut + a_i2 sin Ut + +a_i3 cos ( U)t + a_i4 sin ( - U) + +a_i5 cos t + a_i6 sin t + a_i7 cos ( + U)t + +a_i8 sin ( + U)t + x_i (i 1, 2.6) (1) где x_i погрешность измерения ИНС каждой из трех географических координат и трех составляющих вектора скорости; круговая частота, соответствующая периоду Шулера; U круговая частота, соответствующая суточному периоду; x_i случайная составляющая; a_ik интегральные параметры, подлежащие определению (К 0, 1.8) В предлагаемом модуле реализуется методика оценки погрешностей шести параметров (трех координат и трех проекций линейной скорости) путем определения девяти интегральных параметров по каждой из шести погрешностей методом наименьших квадратов и последующим определением этих погрешностей в соответствии с выражением (1) как заданных функций времени. Эта оценка производится в блоке 6 определения интегральных погрешностей.

В соответствии с методом наименьших квадратов интегральные параметры a_ik (i 1.6, K 0, 1.8) могут быть опрдеелены путем решения следующей алгебраической системы уравнений. Для первой погрешности (погрешность х₁₎ эта система имеет вид + cosu_тd+ sinud+ cos(-u)d+ + sin(-u)d+ cosd+ sind cosud+ cos²ud+ sinucosud+ + cos(-u)cosud+ sin(-u)cosud+ + coscosud+ sincosud+ + cos(+u)cosud+ sin(+u)cosud= x₁()cosud; (2) sin(+u)d+ cosusin(+u)d+ + sinusin(+u)d+ cos(-u)sin(+u)d+ + cos(+u)sin(+u)d+ sin²(+u)d= x₁()sin(+u)d, где (К 0, 1.8) оценки параметров а_1К; _c период наблюдения; x₁(t)=x^и₁(t)-x^c₁(t) разность погрешностей измерения координаты х₁ судна с помощью ИНС (погрешность х₁^и) и приемоиндикатора 1 (погрешность х₁^с), х₁ выходной сигнал блока 5.

Аналогично системе уравнений (2) записываются системы уравнений для других пяти погрешностей x_i (i 2, 3.6) Таким образом, в блоке 6 определения интегральных погрешностей производится оценка 54-х интегральных параметров (шесть систем уравнений по девять уравнений в каждой).

После определения в блоке 6 интегральных параметров (i 1.6, К 0.8) в этом же блоке производится умножение каждого из определенных параметров на соответствующую функцию времени в сооответствии с уравнением (1). Таким образом, на выходе блока 6 вырабатываются сигналы оценок каждой из шести погрешностей инерциальной системы (три координаты места и три проекции вектора скорости). Эти сигналы поступают на входы блока 7 компенсации интегральных погрешностей, где путем суммирования их с соответствующими выходными сигналами ИНС вырабатываются откорректированные текущие значения трех координат места и трех составляющих вектор скорости судна.

Кроме коррекции указанных сигналов в инерциально-спутниковом модуле производится коррекция физических параметров, вырабатываемых ИНС (блок 3 и вычислитель 4): трех угловых координат судна (дифферент , рысканье крен ); трех проекций угловых скоростей судна на связанные оси _х, _y, _z); трех проекций углового ускорения судна , , на связанные оси; проекции линейного ускорения судна W_x, W_y, W_z на общеземные оси.

Оценка данных физических параметров, не наблюдаемых с помощью приемника 1, производится путем выработки оценок погрешностей этих параметров, а именно погрешностей измерения трех углов начальной ориентации судна d, d, d; погрешностей измерения трех проекций угловой скорости и углового укорения на связанные оси d_x,d _y, d_z, d, d, d; смещения нуля каждого из трех акселерометров dW_x, dW_y, dW_z; погрешности масштабного коэффициента каждого из трех акселерометров dm_x, dm_y, dm_z.

Оценка перечисленных погрешностей производится блоком 8.

Установлено, что погрешности физических параметров связаны с интегральными параметрами посредством следующих зависимостей: d f⁽_ik⁾a_ik, (3) где d оценка погрешности физического параметра (d= d _x, d и т.д.); f_ik априорно известные численные коэффициенты.

В блоке 8 производится периодическое (с периодом, равным интервалу наблюдения Т) вычисление оценок погрешностей физических параметров , запоминание их на интервале наблюдения Т и замещение оценок, выработанных на предыдущем интервале наблюдения, оценками, выработанными по прошествии текущего интервала наблюдения. Сигналы оценок с выхода блока 8 поступают на входы блока 9 компенсации погрешностей физических параметров. При этом на первый вход блока 9 поступают сигналы трех угловых погрешностей ИНС, на второй вход сигналы погрешностей смещения нуля и масштабного коэффициента трех акселермоетров, на третий вход сигналы погрешностей измерения трех составляющих угловой скорости судна, на четвертый вход сигналы погрешностей трех составляющих углового ускорения судна.

Одновременно с выхода вычислителя 4 вектора состояния объекта 4 на входы блока 9 поступают сигналы трех составляющих вектора углового ускорения, на шестой вход блока 9 сигналы трех составляющих вектора угловой скорости, на седьмой вход блока 9 проекции вектора линейного ускорения судна на связанные оси, на восьмой вход блока 9 сигналы углов поворота судна относительно трех связанных осей.

В блоке 9 осуществляется коррекция физических параметров ИНС по следующим формулам: W_x (W_x^и + dW_x) (m_x + dm_x), W_y (W_y^и + dW_y) (m_y + dm_y), W_z (W_z^и + dW_z) (m_z + dm_z); _{х х}^и + d_x, _{y y}^и + d_y; _{z z}^и + d_z; =+d, =^и_y+d, =+d; (4) =^и+ d_y()d+^и, =^и+ d_z()d+d^и, =^и+ d_x()d+d^и, где dW_x, dW_y, dW_z; dm_x, dm_y, dm_z; d_x, d_y, d_z; d, d, d, d^и, d^и, d^и, оценки погрешностей физических параметров ИНС, вырабатываемые блоком 8; W_x^и, W_y^и, W_z^и; _x^и, _y^и, _z^и; , , , ^и, ^и, ^и физические параметры, вырабатываемые ИНС (блок 3 и вычислитель 4); W_x, W_y, W_z; _x, _y, _z; , , , , , физические параметры, вырабатываемые блоком 9.

Выходной сигнал с первого выхода блока 9, пропорциональный углам дифферента и крена, поступает на третий вход блока 2 выработки относительных линейных и угловых координат, на первый и второй входы которого поступают сигналы с первого и второго выходов блока 7. Эти сигналы пропорциональны текущим значениям координат и проекциям линейной скорости судна на оси общеземной системы координат.

В блоке 2 вырабатываются запрограммированные линейные координаты спутника в общеземной системе координат, проекции линейной скорости спутника на оси этой системы координат и угловые координаты спутника, при этом спутник выбирается из имеющихся в каталоге спутников Земли, исходя из условия обеспечения наиболее благоприятных условий связи со спутником, для чего на вход датчика поступает информация о текущих координатах судна. На основании выработанной информации вычислителем блока 2 определяются следующие параметры спутника: дальность до спутника по формуле D=; (5) относительная скорость движения судна относительно спутника по формуле (-)(x^c-x)+(-)(y^c-y)+(-)(z^c-z); (6) относительные угловые координаты спутника по формулам = arcsin П=arcsin , (7) где x^c, y^c, z^c координаты места спутника в общеземной системе координат.

Дифференцируя по времени алгебраические уравнения (7), получаем выражения первых производных по времени , относительных угловых координат спутника , п.

Выработанные значения относительных параметров движения спутника с выхода блока 2 поступают на входы УП приемоиндикатора 1.

В состав УП включен цифроимпульсный преобразователь, на выходе которого по значениям D и вырабатываются стробирующие импульсы для управления блоками измерения относительной дальности и относительной скорости спутника. Эти сигналы поступают на входы коррелятора и блока выделения допплеровского смещения. Введение опорных стробирующих сигналов в приемнике позволяет существенно упростить аппаратуру приемника за счет сокращения числа каналов, осуществляющих поиск сигнала спутника по относительной дальности и относительной скорости движения. С другого выхода УП на вход антенны поступают сигналы управления диаграммой направленности фазовой антенной решетки, вырабатываемые УП по сигналам п, угловой ориентации спутника относительно судна и выходным сигналам ИНС.

Предлагаемый инерциально-спутниковый модуль обеспечивает решение поставленной задачи повышения точности и достоверности выработки навигационных параметров движения судна и повышения надежности вычислительных процессов благодаря выработке интегральных и физических погрешностей ИНС.

Комплексная система навигации, связи, освещения обстановки, управления и контроля включает базовый инерциально-спутниковый модуль и n дополнительных однотипных модулей, где число определяется числом характерных точек на судне, подлежащих контролю на относительную деформацию (угловую и линейную) под действием внешних возмущений (ветровых порывов, ударов волн и т.д.) с целью обеспечения безопасности выполнения текущих маневров судна, а также с ц