Устройство для определения координат исполнительного механизма надводного объекта

 

Изобретение относится к устройствам для определения координат исполнительных механизмов объектов, используемых для обеспечения инженерно-технических и других работ, при выполнении которых стоит задача определения координат исполнительного механизма под водой. В основу изобретения положена задача повышения точности автоматического определения положения исполнительных механизмов надводных объектов, что является достигаемым техническим результатом. Поставленная задача решается за счет введения в устройство буйковой станции, состоящей из последовательно соединенных приемной антенны, приемника спутниковых сигналов, модулятора, передатчика и передающей антенны. В подвижную станцию введены блок управления и индикации, информационным входом соединенный с выходом, а управляющим выходом - с третьим входом вычислительного блока, второй приемник спутниковых сигналов, выходом соединенный с четвертым входом вычислительного блока, третья приемная антенна, подключенная ко входу второго приемника спутниковых сигналов, и датчик положения исполнительного механизма, выход которого соединен с пятым входом вычислительного блока. 4 ил.

Настоящее изобретение относится к устройствам для определения координат исполнительных механизмов объектов, используемых для обеспечения инженерно-технических и других работ, при выполнении которых стоит задача определения координат исполнительного механизма под водой с высокой точностью.

Изобретение может быть использовано при выполнении добычных работ на россыпных континентальных и прибрежно-морских месторождениях полезных ископаемых.

Известно устройство для маркшейдерской съемки забоя при дражной разработке россыпи, содержащее два пассивных и два активных геодезических средства измерения, выполненных с возможностью установки на двух контрольных точках драги и двух опорных береговых пунктах, узел определения глубины забоя по продольной оси драги и вычислительный узел, причем два пассивных и два активных геодезических средства измерения выполнены с возможностью установки соответственно на опорных береговых точках и на контрольных точках драги и в виде соответственно двух ведомых станций и двух ведущих антенн радиогеодезической системы с блоком обработки, выполненным в виде последовательно соединенных первого коммутатора, приемника излучения и второго коммутатора, а также первого и второго фазовых измерителей, первые входы которых подключены к соответствующим выходам второго коммутатора, а выходы - к соответствующим входам вычислительного узла, синхронизатора, выходы которого подключены к вычислительному узлу и первому и второму коммутаторам, и последовательно соединенных блока автоподстройки частоты и фазы опорного генератора, выход которого подключен к вторым входам первого и второго фазовых измерителей и к входу блока автоподстройки частоты и фазы, другой выход которого подключен к второму коммутатору, при этом первый и второй входы первого коммутатора соединены соответственно с первой и второй ведущими антеннами, каждая из которых выполнена с круговой диаграммой направленности, а узел определения глубины выполнен в виде датчика углового положения черпаковой рамы, выход которого подключен к соответствующему входу вычислительного узла [Патент РФ N 2049310. Устройство для маркшейдерской съемки забоя при дражной разработке россыпи. Кокорин В.И., опубл. БИ N 33, 1995].

Недостатком данного устройства является снижение точности определения координат исполнительного механизма надводного объекта при изменениях уровня воды, поскольку данная аппаратура определяет только плановые координаты контрольных точек драги, не обеспечивая измерения их высоты.

Известна система для определения положения подвижного объекта, содержащая n навигационных спутников, контрольно-корректирующую станцию, состоящую из последовательно соединенных приемной антенны, аппаратуры потребителя (далее в материалах заявки названной приемником спутниковых сигналов), вычислителя поправок, модулятора, передатчика корректирующей информации и передающей антенны, вычислителя параметра, соединенного со вторым входом вычислителя поправок, подвижную станцию, состоящую из последовательно соединенных первой приемной антенны, приемника спутниковых сигналов и корректора параметра (далее в материалах заявки названного вычислительным блоком), выход которого соединен с информационным входом приемника спутниковых сигналов, последовательно соединенных второй приемной антенны, приемника корректирующей информации и демодулятора, выход которого соединен со вторым входом вычислительного блока [Сетевые спутниковые радионавигационные системы. Под ред. В.С.Шебшаевича. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1993, рис. 20.3, с. 288].

Недостатком данного устройства является отсутствие возможности определения с высокой точностью положения исполнительных механизмов надводных объектов.

В основу изобретения положена задача повышения точности автоматического определения положения исполнительных механизмов надводных объектов.

Поставленная задача решается тем, что в устройство для определения координат исполнительного механизма надводного объекта, содержащее n навигационных спутников, контрольно-корректирующую станцию, состоящую из последовательно соединенных приемной антенны, приемника спутниковых сигналов, вычислителя поправок, модулятора, передатчика корректирующей информации и передающей антенны, вычислителя параметра, соединенного со вторым входом вычислителя поправок, подвижную станцию, состоящую из последовательно соединенных первой приемной антенны, приемника спутниковых сигналов и вычислительного блока, последовательно соединенных второй приемной антенны, приемника корректирующей информации и демодулятора, выход которого соединен со вторым входом вычислительного блока, согласно изобретению введена буйковая станция, состоящая из последовательно соединенных приемной антенны, приемника спутниковых сигналов, модулятора, передатчика и передающей антенны, в подвижную станцию введены блок управления и индикации, информационным входом соединенный с выходом, а управляющим выходом с третьим входом вычислительного блока, второй приемник спутниковых сигналов, выходом соединенный с четвертым входом вычислительного блока, третья приемная антенна, подключенная ко входу второго приемника спутниковых сигналов, и датчик положения исполнительного механизма, выход которого соединен с пятым входом вычислительного блока.

Изобретение поясняется прилагаемыми чертежами, на которых: на фиг. 1 изображена структурная схема устройства для определения координат исполнительного механизма надводного объекта; на фиг. 2 - схема размещения аппаратуры надводного объекта; на фиг. 3 - схема варианта вычислительного блока; на фиг. 4 - блок-схема алгоритма работы вычислительного блока.

Устройство для определения положения исполнительного механизма надводного объекта (фиг.1) содержит n навигационных спутников l₁ - l_n, контрольно-корректирующую станцию 2, состоящую из последовательно соединенных приемной антенны 3, приемника спутниковых сигналов 4, вычислителя поправок 5, модулятора 6, передатчика корректирующей информации 7 и передающей антенны 8, вычислителя параметра 9, соединенного со вторым входом вычислителя поправок 5, буйковую станцию 10, состоящую из последовательно соединенных приемной антенны 11, приемника спутниковых сигналов 12, модулятора 13, передатчика 14 и передающей антенны 15, подвижную станцию 16, содержащую приемные антенны 17, 18 и 19, приемник корректирующей информации 20, первый приемник спутниковых сигналов 21, второй приемник спутниковых сигналов 22, демодулятор 23, вход которого соединен с выходом приемника 20, вычислительный блок 24, входы которого соединены с выходами приемников спутниковых сигналов 21 и 22 и демодулятора 23, датчик положения 25, выход которого подключен ко входу вычислительного блока 24, блок управления и индикации 26, информационным входом соединенный с выходом, а управляющим выходом со входом вычислительного блока 24.

Устройство работает следующим образом.

Контрольно-корректирующая станция 2 антенной 3 принимает сигналы навигационных спутников l₁ - l_n, определяет радионавигационные параметры по каждому из спутников. С приемника спутниковых сигналов 4 измеренные значения радионавигационных параметров поступают на вход вычислителя поправок 5, второй вход которого соединен с вычислителем параметра 9, определяющим эталонные значения радионавигационных параметров R₁₍₃₎ - R_n(3) на основе эталонных координат фазового центра антенны 3 X_КСЭ, Y_КСЭ, Z_КСЭ эфемерид X_эф1-X_эфn, Y_эф1-Y_эфn, Z_эф1-Z_эфn каждого из спутников. Вычислитель поправок 5 вырабатывает значения поправок радионавигационных параметров по каждому из спутников в соответствии с [Сетевые спутниковые радионавигационные системы. Под ред. В.С.Шебшаевича. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1993, стр. 288]: где i= 1, ... n - текущий номер спутника.

С выхода вычислительного блока 5 сигналы, в которых содержится информация о номере спутника, времени приема навигационного сигнала, поправках к радионавигационным параметрам до каждого спутника ΔR_l-ΔR_n поступают на модулятор 6. С выхода модулятора 6 сигналы поступают в передатчик 7, где преобразуются, усиливаются и излучаются в пространство антенной 8.

Одновременно с этим сигналы спутников l₁ - l_n принимаются антенной 11, установленной на буйковой станции 10. Далее принятые сигналы поступают на вход приемника спутниковых сигналов 12, осуществляющего измерение радионавигационных параметров по сигналам каждого из спутников. С выхода приемника спутниковых сигналов 12, сигналы, в которых содержится информация о номере спутника, времени приема навигационного сигнала, значениях измеренных радионавигационных параметров поступают на вход модулятора 13. С выхода модулятора 13 сигналы поступают в передатчик 14, где преобразуются, усиливаются и излучаются в пространство антенной 15.

Сигналы буйковой станции 10 и контрольно-корректирующей станции 2 принимаются антенной 17 надводного объекта, снабженного подвижной станцией 16, поступают на вход приемника корректирующей информации 20, в котором происходит усиление, преобразование и выделение сигналов контрольно-корректирующей 2 и буйковой 10 станций. С выхода приемника 20 сигналы поступают на вход демодулятора 23, выделяющего из сигналов информацию о номере спутника, времени приема сигнала и поправках радионавигационных параметров ΔR_l-ΔR_n, сформированных вычислителем поправок 5 контрольно-корректирующей станции 2. Также демодулятором 23 выделяется информация о номерах спутников, времени приема сигналов и значениях радионавигационных параметров измеренных приемником спутниковых сигналов 12 буйковой станции 10. С выхода демодулятора вышеперечисленные параметры поступают в вычислительный блок 24.

Одновременно сигналы навигационных спутников l₁ - l_n принимаются антеннами 18 и 19, подключенными соответственно к входу первого 21 и второго 22 приемников спутниковых сигналов, производящих определение радионавигационных параметров С выхода приемников спутниковых сигналов 21 и 22 информация о номерах спутников, времени приема сигналов и значениях радионавигационных параметров поступает в вычислительный блок 24.

Вычислительный блок 24 выполняет циклическую обработку вводимой информации в соответствии с блок-схемой алгоритма, приведенной на фиг. 4.

После ввода информации из блоков 21, 22, 23 и 25 вычислительный блок 24 выполняет коррекцию радионавигационных параметров , измеренных первым и вторым приемниками спутниковых сигналов 21 и 22 в соответствии с [Сетевые спутниковые радионавигационные системы. Под ред. В.С.Шебшаевича. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1993, с.288]: В результате этой коррекции получают точные значения радионавигационных параметров R₁₍₁₈₎ - R_n(18) и R₁₍₁₉₎ - R_n(19), которые используют для вычисления точных координат антенн 18 и 19. В случае использования в качестве радионавигационных параметров результатов измерений псевдодальностей для определения координат антенн может быть использован алгоритм, приведенный например в [Сетевые спутниковые радионавигационные системы. Под ред. В.С. Шебшаевича. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1993, с.230-231].

Затем аналогичным образом в вычислительном блоке 24 происходит обработка радионавигационных параметров (измеренных буйковой станцией, после коррекции которых определяют ее координаты X₁₁, Y₁₁, Z₁₁, служащие для контроля уровня воды.

Антенны 18 и 19 могут быть расположены например параллельно продольной оси надводного объекта на одинаковой высоте (фиг. 2), что позволяет определить угол α_ду (угол между продольной осью объекта и направлением на Север) и β_дф (дифферент надводного объекта) по разностям радионавигационных параметров R₁₍₁₈₎ - R₁₍₁₉₎, ..., R_n(18) - R_n(19).

Алгоритм вычисления углов α_ду и β_дф в случае использования в качестве радионавигационных параметров расстояний с учетом фаз несущих частот, принимаемых со спутников сигналов, приведен, например, в [Глобальная спутниковая радионавигационная система ГЛОНАСС/ Под. ред. В.Н.Харисова, А.И.Перова, В.А. Болдина. - М.: ИПРЖР, 1998. - 400 с., ил.].

Датчиком положения 25 измеряется угол наклона стрелы исполнительного механизма в вертикальной плоскости α (фиг. 2), значение которого поступает в вычислительный блок 24. На основании полученных значений углов α_ду и β_дф, координат антенны 18 и измеренного угла α определяются плановые координаты исполнительного механизма и его глубина. При этом, для определения координат исполнительного механизма используется система плановых координат XOY (система координат полигона), центром которой является положение фазового центра антенны 3 контрольно-корректирующей станции, ось ОХ направлена по горизонтали на Север, ось OY по горизонтали на Восток.

Плановые координаты антенны 18 (X₁₈, Y₁₈) получают из разности широт и долгот антенн 3 и 18 по известным алгоритмам пересчета из одной системы координат в другую [Бортовые устройства спутниковой навигации. Под ред. В.С. Шебшаевича. М., Транспорт, 1988].

Координаты исполнительного механизма определяют по формулам:
где L_p - длина стрелы исполнительного механизма; α^*= α-β_дф - скорректированное значение угла наклона исполнительного механизма с учетом дифферента надводного объекта.

Определение высотной координаты и глубины исполнительного механизма по отношению к уровню воды происходит в следующей последовательности:
1. Вычисляется абсолютное значение высотной координаты исполнительного механизма:
H₃= Hп₁₈-h₁₈-L_p·sin(α^*)-r,
где Hп₁₈ - абсолютная высота антенны 18; h₁₈ - высота антенны 18 над верхней точкой стрелы исполнительного механизма; r - радиус вращения исполнительного механизма под водой.

3. Глубина подводной точки h по отношению к уровню воды определяется через высотную координату буйковой станции H_Б, позволяющей определить уровень воды:
h=H_Б-H₃.

Значения плановых координат подводной точки X₃, Y₃ и глубины h далее поступают в блок управления и индикации 26 для последующего отображения и регистрации.

Длительность цикла работы устройства для определения координат исполнительного механизма надводного объекта выбирается таким образом, чтобы успевали выполняться прием, измерения, обработка, передача навигационной и измерительной информации.

Вычислительный блок 24 в связи с большим объемом вычислений необходимо реализовать на основе микропроцессора по типовой структуре, описанной, например в [Балашов Е.П., Пузенков Д.В. Микропроцессоры и микропроцессорные системы, М. , Радио и связь, 1990, с.203]. На фиг. 3 приведена структурная схема варианта вычислительного блока, выполненного по схеме с разделением адресного пространства, состоящего из микропроцессорного блока 27, постоянного 28 и оперативного 29 запоминающих устройств, первого дешифратора адреса 30, обеспечивающего выбор постоянного или оперативного запоминающего устройства, второго дешифратора адреса 31, позволяющего выбрать одно из подключенных к вычислительному блоку 24 внешних устройств: первый приемник спутниковых сигналов 21, второй приемник спутниковых сигналов 22, демодулятор 23, датчик положения 25 или блок управления и индикации 26. В постоянном запоминающем устройстве 28 находится программа обработки, реализующая алгоритм, приведенный на фиг.4, а также константы и другая необходимая информация. Оперативное запоминающее устройство 29 содержит текущие данные, приходящие с блоков 21, 22, 23, 25, информацию, необходимую для обмена с блоком управления и индикации 26 и текущие промежуточные результаты вычислений. Дешифраторы адреса 30 и 31 обеспечивают выбор нужного в данный момент элемента, например оперативного или постоянного запоминающего устройств, либо одного из внешних блоков, имеющих свой фиксированный адрес. Микропроцессорный модуль 27 управляет работой вычислительного блока 24, обеспечивая обработку и обмен информацией в соответствии с блок-схемой алгоритма работы, приведенной на фиг. 4, и связан с блоками 21, 22, 23, 25, 26 информационной шиной данных (ШД), может иметь управляющие выходы с сигналами "Чтение" и "Запись" для управления постоянным 28 и оперативным 29 запоминающими устройствами соответственно.

При реализации вычислительного блока 24 на базе микропроцессора К580 микропроцессорный модуль 27 состоит из трех БИС: центрального процессора К580ВМ80, системного контроллера К580ВК88, тактового генератора К580ГФ24.

Приемники спутниковых сигналов 4, 12, 21, 22 могут быть выполнены в соответствии с рис. 1.14 [Цифровые радиоприемные системы. Под ред. Жодзижского. М., Радио и связь, 1990], рис.38 [Бортовые устройства спутниковой навигации. Под ред. В. С. Шебшаевича. М. , Транспорт, 1988] , [Заявка на патент ДЕ N3540212. ФРГ] . Реализации отдельных блоков аппаратуры, расположенной на надводном объекте, буйковой и контрольно-корректирующей станциях, описаны, например, в [Сетевые спутниковые радионавигационные системы. Под ред. В.С. Шебшаевича. - 2-е изд. , перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1993], [Агафонников А. М. Фазовые радиогеодезические системы для морских исследований. М., Наука, 1979].

Датчик положения 25 может быть выполнен на основе дражных глубиномеров, определяющих угол α по наклону черпаковой рамы.

Рассмотрим числовой пример применения предлагаемого устройства для золотодобывающих драг.

Пусть в качестве навигационных спутников используются, например, спутники системы ГЛОНАСС. Тогда одновременный прием сигналов в точках 3, 11, 18, 19 позволяет определить координаты объекта, буйковой и контрольно-корректирующей станций. Если считать координаты контрольно-корректирующей станции известными, например, с погрешностью менее 10 см, то по ее сигналам путем коррекции радионавигационных параметров координаты точек 11, 18, 19 также будут определены с погрешностью около 10 см, обусловленной погрешностью задания координат контрольно-корректирующей станции.

При этом аппаратурная погрешность измерений фазовых сдвигов на несущих частотах системы ГЛОНАСС в диапазоне частот 1600 МГц составит Δϕ ≈ 0,01 фц (< 4 ). Исходя из этого величина погрешности определения углов α_ду и β_дф может быть определена по приближенной формуле:

где λ - длина волны принятых сигналов, для несущей, равной ~1600 МГц составляет 0.1875 м; B - расстояние между антеннами 18 и 19, расположенными на борту надводного объекта, например драги.

При B = 5 м погрешность измерения дирекционного угла наклонной черпаковой рамы и дифферента надводного объекта составит Δ ≈1.5 угловых минуты, что приведет к погрешностям оценки координат точки забоя, определяем приближенными соотношениями:


Δh = L_p·Δ·cos(α^*)
где L_p - длина наклонной черпаковой рамы драги; Δx и Δy - погрешности определения плановых координат точки забоя в системе координат полигона; Δh - погрешность определения глубины.

Так, для золотодобывающей драги ММЗ-600 длина наклонной черпаковой рамы составляет 108 м при угле наклона черпаковой рамы α = 60^o и дифференте понтона β_дф = 2^o, в зависимости от значения дирекционного угла α_ду величины Δx и Δy составляют 3-5 см, Δh = 2.5 см.

С учетом погрешности определения уровня воды буйковой станцией 10 и координат точки 3 контрольно-корректирующей станции 2 погрешность определения абсолютных координат и глубины рабочей точки составляет около 15 см.

При использовании вычислений в системе координат полигона погрешности определения абсолютных координат точки 3 и уровня воды буйковой станцией 10 исключаются. Исходя из этого координаты и глубина точки забоя могут быть определены с погрешностью около 5-10 см. Для драг с меньшей длиной наклонной черпаковой рамы, например типов ИЗТМ-380 и ИЗТМ-250, величина погрешности будет еще меньше.

Формула изобретения

Устройство для определения координат исполнительного механизма надводного объекта, содержащее п навигационных спутников, контрольно-корректирующую станцию, состоящую из последовательно соединенных приемной антенны, приемника спутниковых сигналов, вычислителя поправок, модулятора, передатчика корректирующей информации и передающей антенны, вычислителя параметра, соединенного со вторым входом вычислителя поправок, подвижную станцию, состоящую из последовательно соединенных первой приемной антенны, приемника спутниковых сигналов и вычислительного блока, последовательно соединенных второй приемной антенны, приемника корректирующей информации и демодулятора, выход которого соединен со вторым входом вычислительного блока, отличающееся тем, что в него введена буйковая станция, состоящая из последовательно соединенных приемной антенны, приемника спутниковых сигналов, модулятора, передатчика и передающей антенны, в подвижную станцию введены блок управления и индикации, информационным входом соединенный с выходом, а управляющим выходом - с третьим входом вычислительного блока, второй приемник спутниковых сигналов, выходом соединенный с четвертым входом вычислительного блока, третья приемная антенна, подключенная ко входу второго приемника спутниковых сигналов и датчик положения исполнительного механизма, выход которого соединен с пятым входом вычислительного блока.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4