Способ определения местоположения наземных подвижных объектов

Способ определения местоположения наземных подвижных объектов

Реферат

Изобретение относится к области приборостроения, измерительной техники и может быть использовано в приборах для определения координат подвижных наземных объектов, в частности автотранспортных средств, особенно как автономная навигационная система.

Известен способ определения координат наземного подвижного объекта с помощью спутниковых навигационных систем [Яценков В.С. Основы спутниковой навигации. Системы GPS NAVSTAR и ГЛОНАСС. - М., 2005. - 272 с., с.69-74]. Недостатками данного способа является то, что сигнал от спутниковых навигационных систем, таких как GPS и ГЛОНАСС, плохо проходит в условиях высокой плотности городской застройки, гор, в том числе горных ущелий, сильной облачности, может плохо проходить в условиях лесистой местности, может быть эффективно подавлен при помощи радиопомех и т.д.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ определения местоположения подвижных наземных объектов, в частности автотранспортных средств [Ашихмин А.В., Козьмин В.А., Крыжко И.Б. Интегрированная навигационная система для мобильных станций радиоконтроля // Специальная техника, 2008 г., №5-6, с.34-45], принятый за прототип.

Способ-прототип определения местоположения транспортных средств заключается в следующем:

1) при пропадании навигационного сигнала, поступающего со спутника на приемник GPS, система переходит в автономный режим, который ограничен по длительности (1-3 минуты) из-за накопления ошибок при определении координат подвижного наземного объекта;

2) измеряются параметры движения подвижного наземного объекта: угловая скорость и модуль линейной скорости наземного подвижного объекта, получаемые при помощи блока инерциальной навигационной системы (ИНС), в которую входят гироскоп и датчик скорости, работа которого основана на счислении оборотов колеса;

3) на основании вышеполученных данных при помощи модуля вычислителя рассчитываются географические координаты подвижного наземного объекта.

Способ-прототип реализуется при работе навигационной системы в автономном режиме, в состав которой входит модуль вычислителя и набор модулей датчиков: два приемника GPS, гироскоп, датчик скорости автомобиля, показания которого пропорциональны оборотам колеса.

Способ-прототип требует использования автомобильного датчика скорости, работа которого основана на счислении оборотов колеса, что, как говорилось выше, негативно сказывается на точности. Способ при определении местоположения подвижного наземного объекта не учитывает угол места (вертикальный угол), следовательно, невозможно рассчитать высоту (координату по высоте). Конструктивно в навигационной системе не используется акселерометр, а используется один гироскоп. Все это ограничивает использование рассматриваемой навигационной системы, работающей в автономном режиме, в частности, ее эффективно можно использовать только в равнинной местности и неэффективно в горной местности.

Недостатками способа-прототипа являются ограниченные функциональные возможности и невысокая точность определения координат подвижного наземного объекта.

Задача предлагаемого технического решения - расширение функциональных возможностей и повышение точности определения координат.

Для решения поставленной задачи в способе, основанном на определении местоположения подвижных наземных объектов в автономном режиме, при котором осуществляют отсчет от последних известных координат, полученных при помощи обработки сигналов спутниковой навигационной системы, измеряют параметры движения объектов и производят расчет географических координат, согласно изобретению измеряют дирекционный угол с помощью измерителя угла поворота, угол места с помощью акселерометра и радиальную скорость с помощью доплеровского радиолокационного измерителя скорости, осуществляют расчет координат объекта в прямоугольной системе и путем пересчета определяют местоположение наземного подвижного объекта в географической системе координат.

Предлагаемый способ заключается в следующем.

В момент пропадания сигнала от спутниковой навигационной системы запоминаются последние полученные координаты от датчика GPS/ГЛОНАСС: φ₀ - широта, λ₀ - долгота, h₀ - высота. Затем осуществляется переход навигационной системы в автономный режим, при котором система определяет текущие координаты мобильного объекта относительно точки начала движения на основе автономных измерений текущих значений скорости, азимута и угла места в дискретные моменты времени.

Местоопределение осуществляется в прямоугольной относительной системе координат х, у, z, где х, у - координаты в горизонтальной плоскости, z - в вертикальной плоскости.

Начальная точка в относительной системе прямоугольных координат имеет координаты х₀=0, у₀=0, z₀=0.

Принцип местоопределения предусматривает представление сложной траектории перемещения объекта в виде последовательности прямых участков, длина каждого из которых равна пути, который проходит подвижный наземный объект в последовательные краткосрочные одинаковые отсчеты (моменты) времени Δt, в которые осуществляется измерение трех параметров движения: радиальной скорости V_i, угла направления (дирекционного угла) α_i, и угла места θ_i, и пересчет текущих координат наземного подвижного объекта.

Путь (шаг), который проходит объект за время между последовательными отсчетами времени Δt рассчитывается с использованием выражения:

;

где V_i-1, V_i, - радиальная скорость наземного подвижного объекта, в смежные дискретные промежутки времени Δt;

Δt - время, за которое происходит прием и обработка информации, поступающей от аппаратуры, входящей в состав навигационной системы, и расчет текущих координат наземного подвижного объекта.

Тогда после одного шага:

,

,

После двух шагов:

,

,

Окончательно формула, которая дает в относительной прямоугольной системе координаты объекта, совершившего N шагов от точки (0,0,0), представляется в общем виде так:

,

,

Затем, полученные координаты подвижного наземного объекта в прямоугольной системе координат пересчитываются в географическую систему координат (при допущении: поверхность Земли - сфера) по формулам:

- географическая широта подвижного наземного объекта;

- географическая долгота подвижного наземного объекта;

где r=111321 м - часть длины экватора, приходящаяся на один географический градус.

Географическая высота подвижного наземного объекта находится по формуле

h=z_N+h₀.

Заметим, что x_N, у_N, z_N, h₀ - должны измеряться в метрах, φ, φ₀, λ, λ₀ - в градусах.

Рассмотрим вопрос практической реализации способа.

Для измерения углов места и направления будем использовать акселерометр и одноосный измеритель угла поворота соответственно, а радиальной скорости - доплеровский радиолокатор. Доплеровский радиолокатор выполнен по схеме автодинного генератора миллиметрового диапазона [В.Я.Носков, С.М.Смольский. Современные гибридно-интегральные автодинные генераторы микроволнового и миллиметрового диапазона и их применение. Часть 6. Исследование радиоимпульсных автодинов // Успехи современной радиоэлектроники, 2009 г., №6, с.3-51].

Принятые сигналы с доплеровского радиолокатора, акселерометра, одноосного измерителя угла поворота для дальнейшей обработки оцифровываются с помощью аналого-цифровых преобразователей (АЦП) и обрабатываются модулем, реализованным на программируемой логической интегральной схеме (ПЛИС).

Приведем пример используемой элементной базы: акселерометр LIS3LV02DL (STMicroelectronics), одноосный измеритель угла поворота ГЛ-1 (Раменский приборостроительный завод), АЦП LTC2207IUK (Linear Technology), ПЛИС EP3C16Q240C8N (Altera).

Таким образом, способ-прототип позволяет производить определение координат подвижного наземного объекта, включая координату по высоте, а также определять его местоположение не только на равнинной, но и горной местности, в условиях, когда невозможно определить его координаты при помощи спутниковой навигационной системы.

Способ определения местоположения наземных подвижных объектов в автономном режиме, при котором осуществляют отсчет от последних известных координат, полученных при помощи обработки сигналов спутниковой навигационной системы, измеряют параметры движения объектов и производят расчет географических координат, отличающийся тем, что измеряют дирекционный угол с помощью измерителя угла поворота, угол места с помощью акселерометра и радиальную скорость с помощью доплеровского радиолокационного измерителя скорости, осуществляют расчет координат объекта в прямоугольной системе и путем пересчета определяют местоположение наземного подвижного объекта в географической системе координат.