Измеритель ориентации подвижного объекта

Измеритель ориентации подвижного объекта

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к измерительным комплексам и системам подвижных объектов (ПО): летательных аппаратов (ЛА), кораблей, наземных транспортных средств.

В наиболее близком аналоге, приведенном в книге [1] на стр.54-56, представлен измеритель ориентации подвижного объекта (ИОПО). ИОПО включает в себя два приемника сигналов спутниковой радионавигационной системы (СРНС), установленных в двух точках А и В объекта на некотором расстоянии друг от друга. Каждый приемник измеряет дальности до трех навигационных спутников с известными координатами. Разность дальностей до одного и того же спутника, измеренная двумя разнесенными в пространстве приемниками, пропорциональна косинусу угла между двумя направленными отрезками (векторами), один из которых соединяет точки, в которых расположены приемники, а другой соединяет точку, в которой находится навигационный спутник, и середину первого отрезка (см. [1], стр.55). Формируя разности дальностей до трех спутников, строится система трех уравнений с тремя неизвестными (см. [1], стр.56) величинами ψ_x, ψ_y, ψ_z направляющих косинусов вектора АВ относительно системы координат OXYZ, связанной с Землей:

где:

λ - длина волны излучаемого навигационным спутником сигнала;

D_A1, D_A2, D_A3 - дальности до первого, второго, третьего спутников, измеренные приемником, установленным в точке А;

D_B1, D_B2, D_B3 - дальности до первого, второго, третьего спутников, измеренные приемником, установленным в точке В:

µ_x1, µ_y1, µ_z1 - направляющие косинусы вектора, соединяющего середину отрезка АВ и первый спутник, относительно системы координат OXYZ;

µ_х2, µ_у2, µ_z2 - направляющие косинусы вектора, соединяющего середину отрезка АВ и второй спутник, относительно системы координат OXYZ;

µx₃, µ_у3, µ_Z3 - направляющие косинусы вектора, соединяющего середину отрезка АВ и третий спутник, относительно системы координат OXYZ;

ψ_x, ψ_у, ψ_z - направляющие косинусы вектора, соединяющего точки А и В, относительно системы координат OXYZ.

Решением этой системы уравнений известным способом решения систем линейных уравнений (см., например, [3], стр.246-250) определяются неизвестные величины ψ_х, ψ_y, ψ_z, характеризующие ориентацию отрезка АВ, принадлежащего подвижному объекту, относительно связанной с Землей системы координат OXYZ.

Наиболее близкий аналог имеет ряд существенных недостатков.

Во-первых, описанный выше и в книге [1] на стр.54-56 наиболее близкий аналог определяет ориентацию только одного отрезка, принадлежащего ПО, между тем как для решения задачи определения ориентации этого недостаточно.

Во-вторых, используемый в наиболее близком аналоге способ определения направляющих косинусов отрезка путем решения системы линейных уравнений не всегда работоспособен. Возможно возникновение ситуации во взаиморасположении ПО и навигационных спутников, когда все четыре точки (три спутника и середина отрезка АВ) лежат в одной плоскости. В этом случае величины µ_х1, µ_y1, µ_z1, µ_x2, µ_y2,

µ_z2, µ_х3, µ_y3, µ_z3 линейно зависимы и система (1) не имеет однозначного решения.

В-третьих, описанный выше и в книге [1] на стр.54-56 наиболее близкий аналог осуществляет определение только угла курса, между тем ориентация ПО определяется тремя углами, например курсом, тангажом, креном.

Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей измерителя курса ПО и, как следствие этого, повышение эффективности использования объектов, снабженных такой системой.

Достигается указанный результат тем, что измеритель ориентации, содержащий три блока измерений относительных параметров и блок расчета углов ориентации, дополнительно снабжен тремя блоками расчета точечных координат, причем вход одного из них подключен к выходу одного блока измерений относительных параметров, вход другого подключен к выходу другого блока измерений относительных параметров, вход третьего подключен к выходу третьего блока измерений относительных параметров, блоком расчета взаимных координат, первый, второй и третий входы которого подключены к выходам первого, второго и третьего блоков расчета точечных координат, выход блока расчета взаимных координат подключен к входу блока расчета углов ориентации.

На чертеже представлена блок-схема измерителя ориентации ПО, содержащего:

1, 2, 3 - измеритель относительных параметров ИОП;

4, 5, 6 - блок расчета точечных координат РТК;

7 - блок расчета взаимных координат РВК;

8 - блок расчета углов ориентации РУО.

Информационная взаимосвязь блоков ИОПО осуществляется по линиям информационного обмена (на чертеже обозначена тонкой сплошной линией).

Выход блока ИОП 1 подключен к входу блока РТК 4, выход блока ИОП 2 подключен к входу блока РТК 5, выход блока ИОП 3 подключен к входу блока РТК 6. Выход блока РТК 4 подключен к первому входу блока РВК 7, выход блока РТК 5 подключен ко второму входу блока РВК 7, выход блока РТК 6 подключен к третьему входу блока РВК 7. Выход блока РВК 7 подключен к входу блока РУО 8. Выход блока РУО 8 является выходом измерителя ориентации.

Блоки ИОП 1, ИОП 2, ИОП 3 представляют собой приемники сигналов СРНС, описанные в литературе, например [1], стр.185-278. В состав блоков ИОП 1, ИОП 2, ИОП 3 входят антенны, приемники, корреляторы. В блоках ИОП 1, ИОП 2 и ИОП 3 осуществляется прием сигналов навигационных спутников СРНС, определение фазовой и временной задержки сигнала ([1], стр.193-197), которые пропорциональны расстояниям (дальностям) от приемников до соответствующих спутников.

Информационные линии связи представляют собой известные (описанные, например, в книге [2], стр.21-24, 394-406) линии связи и информационного обмена, например, по последовательному коду, по параллельному коду, мультиплексные и др.

Блоки РТК 4, РТК 5, РТК 6, РВК 7, РУО 8 выполнены, например, в виде однопроцессорных вычислителей ([2], стр.31).

ИОПО работает следующим образом. ИОПО состоит из трех аналогичных контуров определения точечных координат мест установки приемников. Один контур включает в себя блоки ИОП 1 и РТК 4. Другой контур включает в себя блоки ИОП 2 и РТК 5. Третий контур включает в себя блоки ИОП 3 и РТК 6. Работа этих трех контуров полностью аналогична и заключается в следующем.

Блок ИОП 1 (ИОП 2, ИОП 3) измеряет фазовый сдвиг и/или временную задержку сигналов на трассах «приемник-спутник», которые пропорциональны соответствующим расстояниям (дальностям). Эти данные поступают на вход блока РТК 4 (РТК 5, РТК 6), в котором на основе полученной информации об этих дальностях с помощью известных алгоритмов (см., например, [1], стр.217) осуществляется решение задачи определения координат приемника. Результатом работы блоков РТК 4, РТК 5 и РТК 6 являются значения координат (Х₁, Y₁, Z₁), (Х₂, Y₂, Z₂) и (Х₃, Y₃, Z₃) мест установки приемников на ПО.

Эта информация поступает в блок РВК 7, в котором осуществляется определение взаимных координат (ΔХ₁₂, ΔY₁₂, ΔZ₁₂), (ΔX₁₃, ΔY₁₃, ΔZ₁₃), (ΔX₂₃, ΔY₂₃, ΔZ₂₃) трех приемников с помощью формул вида:

Значения взаимных координат (ΔХ₁₂, ΔY₁₂, ΔZ₁₂), (ΔХ₁₃, ΔY₁₃, ΔZ₁₃), (ΔХ_23, ΔY₂₃, ΔZ₂₃) пересчитываются из системы координат OXYZ в географическую систему координат OENH (где ОН - местная вертикаль, ОЕ - направление на восток, ON - направление на север) с помощью формул вида:

Здесь: λ₁, φ₁ - географические долгота и широта первого приемника. λ₂, φ₂ - географические долгота и широта второго приемника, которые определятся соответственно в блоках РТК 4 и РТК 5 по известным ([1], стр.218) алгоритмам.

Значения взаимных географических координат взаимных координат (ΔЕ₁₂, ΔN₁₂. ΔН₁₂), (ΔЕ₁₃, ΔN₁₃, ΔН₁₃), (ΔЕ₂₃, ΔN₂₃, ΔН₂₃) поступают в блок РУО 8, в котором осуществляется расчет углов курса ψ, тангажа ϑ, крена γ ПО путем решения системы уравнений, связывающих эти углы с взаимными координатами трех точек:

Δх₁₂=ΔN₁₂·(cosψ·cosϑ)+ΔН₁₂·(sinϑ)+ΔE₁₂·(sinψ·cosϑ);

Δy₁₂=ΔN₁₂·(-cosψ·sinϑ·cosγ-sinψ·sinγ)+ΔH₁₂·(cosϑ·cosγ)+ΔE₁₂·(-sinψ·sinϑ·cosγ+cosψ·sinγ);

Δz₁₂=ΔN₁₂·(cosψ·sinϑ·sinγ-sinψ·cosγ)+ΔH₁₂·(-cosϑ·sinγ)+ΔE₁₂·(sinψ·sinϑ·sinγ+cosψ-cosγ);

Δy₁₃=ΔN₁₃·(-cosψ·sinϑ·cosγ-sinψ·sinγ)+ΔH₁₃·(cosϑ·cosγ)+ΔE₁₃·(-sinψ·sinϑ·cosγ+cosψ·sinγ);

Δz₁₃=ΔN₁₃·(cosψ·sinϑ·sinγ-sinψ·cosγ)+ΔH₁₃·(-cosϑ·sinγ)+ΔE₁₃·(sinψ·sinϑ·sinγ+cosψ-cosγ);

Δх₂₃=ΔN₂₃·(cosψ·cosϑ)+ΔН₂₃·(sinϑ)+ΔE₂₃·(sinψ·cosϑ);

Δy₂₃=ΔN₂₃·(-cosψ·sinϑ·cosγ-sinψ·sinγ)+ΔH₂₃·(cosϑ·cosγ)+ΔE₂₃·(-sinψ·sinϑ·cosγ+cosψ·sinγ);

Δz₂₃=ΔN₂₃·(cosψ·sinϑ·sinγ-sinψ·cosγ)+ΔH₂₃·(-cosϑ·sinγ)+ΔE₂₃·(sinψ·sinϑ·sinγ+cosψ-cosγ).

Здесь:

x₁, y₁, z₁ - известные координаты места установки блока ИОП 1 относительно центра масс ПО;

х₂, у₂, z₂ - известные координаты места установки блока ИОП 2 относительно центра масс ПО;

х₃, у₃, z₃ - известные координаты места установки блока ИОП 3 относительно центра масс ПО.

Решение в этой системы уравнений в блоке РУО 8 осуществляется методом исключения неизвестных и может иметь, например, следующий результат:

где A₁=Δx₁₂·ΔH₁₃-Δx₁₃·ΔH₁₂;

A₂=Δx₁₂·ΔH₂₃-Δх₂₃·ΔH₁₂;

А₁₁=ΔN₁₂·ΔH₁₃-ΔN₁₃·ΔH₁₂;

A₁₂=ΔE₁₂·ΔH₁₃-ΔE₁₃·ΔH₁₂;

A₂₁=ΔN₁₂·ΔН₂₃-ΔN₂₃·ΔH₁₂;

A₂₂=ΔE₁₂·ΔН₂₃-ΔE₂₃·ΔH₁₂;

С=(A₂₂A₁-A₁₂A₂)/(A₂₂A₁₁-A₁₂A₂₁);

D=(A₁₁A₁-A₂₁A₂)/(A₂₂A₁₁-A₁₂A₂₁);

s₁=Δx₁₂-ΔN₁₂·C-ΔE₁₂·D;

s₂=Δx₁₃-ΔN₁₃·C-ΔE_13·D;

s₃=Δx₂₃-ΔN₂₃·C-ΔE₂₃·D;

B₁=Δx₁₂·ΔН₁₃-Δх₁₃·ΔH₁₂:

В₂=Δx₁₂·ΔН₂₃-Δх₂₃·ΔН₁₂;

В₁₁=Δx₁₂·Δу₁₃-ΔХ₁₃·Δy₁₂;

В₁₂=Δz₁₂·Δx₁₃-Δz₁₃·Δx₁₂;

B₂₁=Δx₁₂·Δу₂₃-Δх₂₃·Δу₁₂;

В₂₂=Δz₁₂·Δх₂₃-Δz₂₃·Δx₁₂.

Введение в состав ИОПО блоков РТК 4, РТК 5, РВК 6 обеспечивает простое и эффективное определение взаимных географических координат трех точек ПО, в которых установлены приемники сигналов СРНС, и затем - углов ориентации объекта: курса ψ, тангажа ϑ, крена γ. При этом устраняются отмеченные выше недостатки наиболее близкого аналога и повышается эффективность комплекса бортового оборудования, оснащенного ИОПО.

На примерах технической реализации показано достижение технического результата в части расширения функциональных возможностей измерителя комплекса бортового оборудования, а именно: определение ориентации ПО с помощью ИОПО на основе трех приемников сигналов СРНС, вследствие чего повышается эффективность применения объектов, оснащаемых таким измерителем.

Литература

1. Глобальная спутниковая навигационная система ГЛОНАСС. Под ред. В.Н.Харисова. А.И.Перова, В.А.Болдина. - М.: ИПРЖР, 1998 г.

2. Преснухин Л.Н., Нестеров П.В. Цифровые вычислительные машины. - М: Высшая школа, 1981 г.

3. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. - М.: Наука, 1980 г.

Измеритель ориентации подвижного объекта, содержащий три установленных на подвижном объекте блока измерений относительных параметров, оборудованных приемниками сигналов спутниковой радионавигационной системы и обеспечивающих определение расстояний от приемников до соответствующих спутников, и блок расчета углов ориентации подвижного объекта по курсу, тангажу и крену, причем выход блока расчета углов ориентации подвижного объекта является выходом измерителя ориентации подвижного объекта, отличающийся тем, что измеритель ориентации подвижного объекта дополнительно снабжен тремя блоками расчета точечных координат приемников, причем вход одного из них подключен к выходу одного блока измерений относительных параметров, вход другого подключен к выходу другого блока измерений относительных параметров, вход третьего подключен к выходу третьего блока измерений относительных параметров, блоком расчета взаимных координат приемников, первый, второй и третий входы которого подключены к выходам первого, второго и третьего блоков расчета точечных координат приемников, выход блока расчета взаимных координат приемников подключен к входу блока расчета углов ориентации подвижного объекта.