Способ определения параметров ориентации и навигации подвижных объектов

 

Изобретение касается ориентации и навигации подвижных объектов и может быть использовано преимущественно в авиации. С целью исключения влияния расходящейся погрешности вычисления проекций угловой скорости собственного вращения Земли на точность определения параметров ориентации подвижного объекта бесплатформенной системой ориентации (БСО) в составе бесплатформенной инерциальной навигационной системы (БИНС) относительную угловую скорость объекта находят путем решения векторного уравнения угловых ускорений объекта, из которого исключена угловая скорость собственного вращения Земли. После определения относительной угловой скорости объекта вычисляют проекции угловой скорости собственного вращения Земли на оси заранее выбранной системы координат, затем путем решения уравнений, связывающих эти проекции с координатами объекта, определяют координаты объекта. Этим из структурной схемы БИНС устраняется второй интегратор, с помощью которого в БИНСе вычисляются координаты объекта и который является причиной расходящегося характера погрешности счисления в БИНСе координат объекта и проекций угловой скорости собственного вращения Земли.

Изобретение касается ориентации и навигации подвижных объектов и может быть использовано преимущественно в воздухоплавании.

Системы ориентации (СО) служат для определения углового положения подвижного объекта, например самолета, относительно некоторой опорной системы координат. Известны два метода представления на борту летательного аппарата (ЛА) опорной системы координат путем физического ее моделирования с помощью, например, гироплатформы; путем аналитического ее вычисления на основе измерений каких-либо отдельных параметров ориентации (углов, угловых скоростей).

В первом случае применяются гироскопические стабилизированные платформы (ГСП), которым сообщаются три угловые степени свободы относительно корпуса объекта с помощью подвеса того или иного типа. В зависимости от типа подвижного объекта и его назначения платформа может стабилизироваться относительно инерциального пространства либо корректироваться относительно плоскости местного горизонта и в азимуте (курсовертикали самолетов).

Во втором случае реализуется бесплатформенная схема построения СО на основе датчиков, устанавливаемых непосредственно на корпусе ЛА. Опорная система координат при этом вычислительной машины (БЦВМ) путем интегрирования и преобразования сигналов датчиков. При этом БЦВМ как бы моделирует карданов подвес гироплатформы. Системы ориентации, построенные по такой схеме, называются бесплатформенными или бескарданными (БСО). Основными достоинством БСО по сравнению с платформенными СО являются меньшие размеры системы и ее элементов; меньшая масса системы и ее элементов; более высокая надежность системы; меньшее потребление энергии; меньшая стоимость; простота эксплуатации и ремонта.

В качестве измерительных устройств в современных БСО применяют датчики угловых скоростей (ДУС), датчики угловых ускорений (ДУУ), датчики угловых перемещений (ДУП), причем абсолютных, т. е. относительно инерциального пространства. Для абсолютной угловой скорости объекта справедливо выражение =+, (1) где абсолютная угловая скорость ЛА;
абсолютная угловая скорость опорной системы координат;
относительная угловая скорость ЛА (относительно опорной системы координат).

В этом выражении скорость , в свою очередь, состоит из двух составляющих
=+, (2) где угловая скорость собственного вращения Земли;
угловая скорость опорной системы координат относительно Земли.

Для решения задачи ориентации объекта относительно подвижной опорной системы координат, например ортодромической, нужно определять параметры углового движения объекта (ЛА) относительно этой подвижной системы координат, например . В современных БСО в качестве датчиков используют обычно ДУС, поэтому искомой величиной является . В случае использования в современных БСО в качестве датчиков первичной информации ДУУ, например угловых акселерометров, их показания, т.е. абсолютное угловое ускорение объекта , интегрируют и получают , поэтому постановка задачи не меняется. Современные БСО решают уравнение вида
=--. (3)
Общий алгоритм решения этих уравнений современными БСО следующий.

Составляющие скорости непосредственно измеряют с помощью ДУС БСО (либо определяют путем интегрирования абсолютных угловых ускорений объекта, измеряемых ДУУ) в связанной с ЛА системе координат и пересчитывают в опорную систему координат с помощью вычислений на предыдущем шаге параметров ориентации ЛА.

Для определения скорости ω₁ рассчитывают вектор относительной линейной скорости ЛА в опорной системе координат; зная , находят .

Для определения проекций скорости в опорной системе координат счисляют координаты места ЛА, а затем вычисляют проекции скорости в точке с полученными координатами.

Таким образом, для решения задачи ориентации объекта относительно подвижной опорной системы координат с помощью существующего подхода к построению БСО необходимо решать полную навигационную задачу определения линейных скоростей и координат объекта, а также проекций угловой скорости собственного вращения Земли. На практике это приводит к тому, что для построения современной БСО необходимо строить бесплатформенную инерциальную навигационную систему (БИНС).

В современных БИНС путем интегрирования и преобразования рассчитанных значений скорости получают текущие значения координат объекта в опорной системе координат, а затем по известным формулам (в случае ортодромической системы координат) находят значения проекций скорости в опорной системе координат. Известно, что большой недостаток БИНС неустойчивость погрешности счисления координат к внутренним возмущениям, например инструментальным погрешностям, вызванным тем, что координаты объекта находят путем интегрирования и преобразования скорости . Вследствие этого погрешности счисления координат и, следовательно, проекций скорости имеют расходящийся характер. При существующей схеме построения ВСО (в составе БИНС) этот недостаток БИНС ухудшает точность работы БСО, а первопричиной этому является со стороны БСО необходимость определения скорости для решения задачи ориентации, со стороны БИНС расходящийся характер погрешности определения координат и скорости .

Цель изобретения устранение этого недостатка существующего способа определения параметров ориентации и навигации подвижного объекта.

Сущность изобретения заключается в том, что параметры ориентации объекта находятся путем решения уравнения, в котором отсутствует скорость , при этом появляется дополнительная возможность счисления координат объекта, не интегрируя скорость Такое уравнение получаем, дифференцируя уравнения (1) и (2)
=++. (4)
Здесь и далее символом (˙) обозначены абсолютные производные векторов. Так как скорость является постоянной векторной величиной в инерциальном пространстве, то
≡ 0 (5) и уравнение (4) преобразуется к виду
=+. (6)
Преобразуем правую часть уравнения (6). Применяя формулу Бура, получим
=+++. (7)
Здесь и далее символ () обозначает локальную производную вектора в опорной системе координат. Преобразовав выражения (7) с учетом (2) и (1), окончательно получаем
=----. (8)
Алгоритм решения задачи ориентации подвижного объекта в подвижной опорной системе координат без определения скорости следующий.

Измеряют с помощью, например, ДУУ абсолютное угловое ускорение ЛА в связанной с ЛА системе координат и пересчитывают в опорную систему координат с помощью вычислительных на предыдущем шаге параметров ориентации ЛА.

Измеряют с помощью, например, ДС абсолютную угловую скорость объекта в связанной с ЛА системе координат и пересчитывают в опорную систему координат с помощью вычисленных на предыдущем шаге параметров ориентации ЛА.

Рассчитывают векторы линейного относительного ускорения и линейной относительной скорости объекта в опорной системе координат.

Зная и , рассчитывают векторы и . Решают уравнение (1) относительно , интегрируя эту величину, получают относительную угловую скорость ЛА , интегрируя ее, получают параметры ориентации (углы) объекта относительно опорной системы координат.

Для нахождения координат объекта без интегрирования скорости поступают следующим образом.

После решения уравнения (8) и получения решают уравнения относительно , имея в виду, что проекции на оси опорной системы координат векторов , , уже известны.

Решают уравнения, связывающие проекции угловой скорости собственного вращени я Земли и координаты объекта, относительно координат, в результате чего получают значения координат объекта.

Формула изобретения

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ОРИЕНТАЦИИ И НАВИГАЦИИ ПОДВИЖНЫХ ОБЪЕКТОВ, включающий в себя измерение линейных и угловых параметров абсолютного движения объекта, определение относительных линейных и угловых скоростей объекта, определение угловых скоростей и ускорений опорной системы координат, определение параметров ориентации объекта относительно опорной системы координат, определение координат объекта, отличающийся тем, что после измерения абсолютных угловых скоростей и ускорений объекта и определения угловых скоростей и ускорений опорной системы координат определяют относительные угловые ускорения объекта путем решения уравнения угловых ускорений, связывающего ускорения объекта и опорной системы координат, после определения относительных угловых ускорений объекта путем их интегрирования определяют относительные угловые скорости объекта, после определения относительных угловых скоростей объекта находят путем решения уравнения угловых скоростей проекции угловой скорости Земли на оси опорной системы координат, определяют координаты объекта либо путем решения алгебраических уравнений, связывающих координаты и проекции угловой скорости Земли, либо путем интегрирования относительных линейных скоростей.