Способ комплексирования инерциальных навигационных систем и комбинированная навигационная система

 

Использование: выставка, калибровка дрейфов, демпфирование вертикали и коррекция собственных погрешностей инерциальных навигационных систем (ИНС) на подвижном объекте в процессе инерциального счисления координат местоположения объекта, создание комбинированных навигационных систем. Сущность изобретения: дополнительная коррекция горизонтальных каналов ИНС физическим воздействием на гироскопы разностным сигналом с горизонтальных акселерометров и датчиков базовой скорости, использование в качестве датчика базовой скорости спутниковой навигационной системы. 2 с.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к области инерционных навигационных систем (ИНС), а более конкретно к их физическому комплексированию с датчиком базовой скорости (ДБС), и может быть использовано для выставки, калибровки дрейфов гироскопов, демпфирования вертикали и коррекции собственных погрешностей ИНС на подвижном объекте при одновременном инерциальном счислении координат местоположения, а также при создании комбинированных навигационных систем на базе платформенных или бесплатформенных ИНС, работающих без режима предварительной выставки и калибровки дрейфов горизонтальных каналов и инвариантных к ошибкам выставки и дрейфам гироскопов. Здесь под термином способ комплексирования понимается совокупность способов выставки, демпфирования, инерциальной навигации и коррекции.

Известен способ демпфирования и коррекции ИНС по базовой скорости, включающий коррекцию инерциональной навигационной системы от датчика базовой скорости путем воздействия корректирующими сигналами по угловой скорости на гироскопы горизонтальных каналов, сформированными фильтром коррекции по разности скоростей инерциальной навигационной системы и датчика базовой скорости.

Устройство для реализации известного способа содержит инерциальную навигационную систему, сумматор и фильтр коррекции в каждом горизонтальном канале и датчик базовой скорости, причем выходы по скорости горизонтальных каналов инерциальной навигационной системы соединены с первыми входами своих сумматоров, вторые входы которых соединены с выходами по скорости соответствующих горизонтальных каналов датчика базовой скорости, а выходы сумматоров соединены с входами фильтров коррекции, выходы которых соединены с первыми входами по угловой скорости контуров Шулера горизонтальных каналов инерциальной навигационной системы.

Известные способы и устройство имеют следующие недостатки: ошибка вертикали ИНС зависит от производной дрейфа гироскопа; происходит частичная коррекция погрешностей, поэтому ошибки инерциального счисления координат растут со временем не только от погрешности базовой скорости, но и от дрейфов ИНС; невозможность совмещения режимов выставки и инерциальной навигации из-за наличия погрешностей в счислении координат, в существующих комбинированных навигационных системах режимы выставки (калибровки дрейфов) и инерциальной навигации на подвижном основании разнесены во времени.

Технический результат изобретения исключение режима предварительной выставки и калибровки дрейфов горизонтальных каналов, расширение функциональных возможностей путем совмещения режимов выставки, калибровки дрейфов, демпфирования и инерциальной навигации на подвижном объекте и повышение точности путем полного исключения влияния собственных погрешностей ИНС на точность инерциального счисления координат.

Указанный технический результат достигается тем, что осуществляют дополнительное управление инерциальной навигационной системы путем воздействия управляющими сигналами по угловой скорости на гироскопы горизонтальных каналов, сформированными фильтром управления по разности сигналов с горизонтальных акселерометров, преобразованных через интегратор с обратной связью, и датчика базовой скорости.

В устройстве для реализации способа указанный результат достигается тем, что в качестве датчика базовой скорости введен приемник спутниковой навигационной системы, кроме того, дополнительно включены в каждый горизонтальный канал второй сумматор, интегратор с усилителем в обратной связи, третий сумматор, фильтр управления, причем первые входы вторых сумматоров соединены с выходами по ускорению собственных горизонтальных каналов инерциальной навигационной системы, их вторые входы соединены с выходами усилителей обратной связи, а выходы вторых сумматоров соединены с входами интеграторов, выходы которых соединены с первыми входами третьих сумматоров, вторые входы которых соединены с выходами по скорости соответствующих каналов приемника спутниковой навигационной системы, а выходы третьих сумматоров соединены с входами усилителей обратной связи, выходы которых соединены со входами фильтров управления, выходы которых соединены со вторыми входами по угловой скорости контуров Шулера соответствующих горизонтальных каналов инерциальной навигационной системы.

При предлагаемом способе физического комплексирования горизонтальные каналы ИНС настроены на период Шулера, нет ограничений на движение объекта, счисление координат осуществляется по алгоритмам инерциальной навигации, базовая скорость используется только для формирования корректирующих управляющих сигналов на гироскопы.

Предлагаемый способ базируется на использовании информации с горизонтальных каналов ИНС и формировании входных корректирующих воздействий на них. Горизонтальные каналы ИНС с периодом Шулера могут быть построены как на базе платформенных, так и бесплатформенных ИНС, в том и другом случае они идентичны, поэтому способ одинаково применим к ним.

На фиг. 1 изображен пример реализации способа комплексирования ИНС; на фиг.2 приведена схема комбинированной системы, реализующей данный способ; на фиг.3-6 приведены характерные реализации математического и полунатурного моделирования способа и комбинированной системы его реализации в конкретных условиях применения.

На фиг.1 приняты следующие обозначения: α,,β,,μ угловые ошибки ориентации гироплатформы ГП относительно осей сопровождающегося географического трехгранника x, y, z; U_x, U_y, U_z абсолютные угловые скорости по осям x, y, z; A_x, A_y, A_z кажущиеся ускорения по осям x, y, z; A_xn, A_yn, A_zn ускорения, замеряемые акселерометрами по осям ГП (x_n, y_n, z_n); dAx, δAy погрешности в измерении ускорений по горизонтальным осям ГП; A_xk, A_yk, A_zk сигналы на компенсацию кориолисовых ускорений; U_xk, U_yk, U_zk сигналы на компенсацию угловой скорости вращения Земли по каналам ИНС; V_xп, V_yп относительные линейные скорости ИНС по горизонтальным каналам; V_xБ, V_yБ относительные линейные скорости датчика базовой скорости по осям сопровождающегося географического трехгранника;
F_x, F_y фильтры коррекции;
W_x, W_y фильтры управления;
V_x1, V_y1, V_x2, V_y2 cигналы с выхода фильтров;
-ω_x, ω_y, ω_z суммарные дрейфы гироскопов по каналам ИНС;
R_п 6,38·10⁶ м приведенный коэффициент интегральной коррекции контура Шулера горизонтальных каналов ИНС;
g ускорение силы тяжести в месте положения объекта;
V_xм, V_yм сигналы с выхода интеграторов с обратной связью;
K_о коэффициент обратной связи;
Δv_x, Δv_y сигнал на входе фильтра коррекции;
Δv_xм, Δv_yм сигналы обратной связи и управления;
БВ блок вычисления навигационных параметров и компенсационных сигналов;
P выходные параметры ИНС;
ВИ входная информация и исходные данные, необходимые для работоспособности ИНС;
S оператор Лапласа.

Сущность способа состоит в том, что наряду с коррекцией ИНС вводят дополнительное управление путем формирования управляющего воздействия на горизонтальные каналы ИНС, используя при этом дополнительные сигналы с акселерометров ИНС и датчика базовой скорости, чтобы обеспечить инвариантность вертикали к производной от дрейфа гироскопов, а ошибок по скорости и координатам к собственным погрешностям ИНС (дрейфам гироскопов, ошибкам выставки, ошибкам акселерометров).

Основное отличие предлагаемого способа физического комплексирования ИНС и комбинированной системы его реализации состоит в том, что он обеспечивает одновременное совмещение режимов выставки, калибровки дрейфов, инерциальной навигации, демпфирования вертикали и коррекции соответственных погрешностей ИНС, при этом точность инерциального счисления зависит только от погрешности базовой скорости.

Тогда как, например, при математическом комплексировании ИНС по методу Калмана сначала идет длительный процесс оценки дрейфов ИНС, а потом их коррекция, или последовательно сначала решается задача выставки, а затем ИНС переводится в режим навигации.

Комбинированная система содержит (фиг.2):
1.1, 1.2 горизонтальные каналы ИНС с контуром Шулера;
2.1, 2.2 первые сумматоры;
3.1, 3.2 фильтры коррекции;
4 приемник СНС;
5.1, 5.2 вторые сумматоры;
6.1, 6.2 интеграторы с обратной связью;
7.1, 7.2, третьи сумматоры;
8.1, 8.2 фильтры управления.

Комбинированная система работает следующим образом.

Скорости с горизонтальных каналов ИНС 1.1, 1.2 в географической системе координат сравнивают в сумматоре 2.1, 2.2 с аналогичными скоростями приемника СНС 4, полученная разность скоростей поступает на фильтр коррекции 3.1, 3.2 и далее на вход контура Шулера по угловой скорости горизонтальных каналов, материализованных на базе платформенной или бесплатформенной ИНС. Одновременно сигналы с акселерометров горизонтальных каналов ИНС с учетом поправок на компенсацию кориолисовых ускорений сравнивают в сумматоре 5.1, 5.2 с сигналом со второго выхода интегратора с обратной связью 6.1, 6.2, полученная разность сигналов поступает на его первый вход. Сигнал с первого выхода интегратора с обратной связью сравнивают в сумматоре 7.1, 7.2 с одноименным сигналом приемника СНС 4, полученная разность сигналов с выхода сумматора 7.1, 7.2, с одноименным сигналом приемника СНС 4, полученная разность сигналов с выхода сумматора 7.1, 7.2 поступает на второй вход интегратора с обратной связью 6.1, 6.2. Сигнал со второго выхода интегратора с обратной связью поступает на вход фильтра управления 8.1, 8.2, с выхода которого сигнал поступает на входы по угловой скорости контура Шулера горизонтальных каналов ИНС, на эти же входы одновременно поступают собственный сигнал интегральной коррекции и поправка на компенсацию угловой скорости вращения Земли.

Предлагаемый способ комплексирования ИНС с датчиком базовой скорости и комбинированная система его реализации обеспечивают инвариантность выходных параметров ИНС (скорость, координаты) к соответственным погрешностям (ошибки начальной ориентации, дрейфы гироскопов, ошибки акселерометров), а также инвариантность вертикали к дрейфу гироскопов, скорости его изменения, ускорению движения объекта и погрешностям базовой скорости.

Формула изобретения

1. Способ комплексирования инерциальных навигационных систем, включающий коррекцию инерциальной навигационной системы от датчика базовой скорости путем воздействия корректирующими сигналами по угловой скорости на гироскопы горизонтальных каналов, сформированными фильтром коррекции по разности скоростей инерциальной навигационной системы и датчика базовой скорости, отличающийся тем, что осуществляют дополнительное управление инерциальной навигационной системы путем воздействия управляющими сигналами по угловой скорости на гироскопы горизонтальных каналов, сформированными фильтром управления по разности сигналов с горизонтальных акселерометров, преобразованных через интегратор с обратной связью и датчика базовой скорости.

2. Комбинированная навигационная система, содержащая инерциальную навигационную систему, сумматор и фильтр коррекции в каждом горизонтальном канале и датчик базовой скорости, причем выходы по скорости горизонтальных каналов инерциальной навигационной системы соединены с первыми входами своих сумматоров, вторые входы которых соединены с выходами по скорости соответствующих горизонтальных каналов датчика базовой скорости, а выходы сумматоров соединены с входами фильтров коррекции, выходы которых соединены с первыми входами по угловой скорости контуров Шулера горизонтальных каналов инерциальной навигационной системы, отличающаяся тем, что в качестве датчика базовой скорости введен приемник спутниковой навигационной системы, а кроме того, дополнительно включены в каждый горизонтальный канал второй сумматор, интегратор с усилителем в обратной связи, третий сумматор, фильтр управления, причем первые входы вторых сумматоров соединены с выходами по ускорению собственных горизонтальных каналов инерциальной навигационной системы, их вторые входы соединены с выходами усилителей обратной связи, а выходы вторых сумматоров соединены с входами интеграторов, выходы которых соединены с первыми входами третьих сумматоров, вторые входы которых соединены с выходами по скорости соответствующих каналов приемника спутниковой навигационной системы, а выходы третьих сумматоров соединены с входами усилителей обратной связи, выходы которых соединены с вторыми входами по угловой скорости контуров Шулера соответствующих горизоптальных каналов инерциальной навигационной системы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6