Комплексная навигационная система
Авторы патента:
Изобретение предназначено для использования в составе комплексов навигационного оборудования летательных аппаратов. В систему, содержащую автономную навигационную систему, спутниковую навигационную систему, два интегратора, два корректирующих фильтра и четыре сумматора, дополнительно введены два усилителя, два сумматора, два интегратора, линия задержки и дифференциальное звено, что обеспечивает повышение точности определения координат местоположения и скорости летательных аппаратов. 2 з. п. ф-лы, 5 ил.
Изобретение относится к области авиационного приборостроения.
Системы измерения координат и скорости являются одними из основных навигационных средств на борту самолетов и вертолетов. От качества и надежности их работы во многом зависит эффективность применения этих летательных аппаратов (ЛА). На борту современных летательных аппаратов (ЛА) широкое применение нашли автономные навигационные системы (АНС). Описание некоторых из них приведено в книге Помыкаева И. И, Селезнева В. П. , Дмитроченко Л. А. "Навигационные приборы и системы". М. : Машиностроение, 1983. АНС, как правило, объединяют в своем составе датчики курса, вертикали, ускорения и скорости и служат для измерения и выдачи потребителям координат и скорости ЛА. Для автономного измерения курса, крена и тангажа на борту современных ЛА широкое применение нашли системы на основе гироскопических и магнитных устройств - курсовые системы (КС), гировертикали (ГВ), курсовертикали (KB) и инерциальные навигационные системы (ИНС). Описание некоторых из них приведено в вышеупомянутой книге "Навигационные приборы и системы" (глава 4) и книге "Аппаратура измерения курса и вертикали на воздушных судах гражданской авиации". М. : Машиностроение, 1989. Для автономного измерения скорости на борту современных ЛА широкое применение нашли системы на основе гироскопических, аэрометрических и доплеровских устройств - ИНС, системы воздушных сигналов (СВС) и доплеровские измерители скорости (ДИС). Описание некоторых из них приведено в вышеупомянутой книге "Навигационные приборы и системы" (главы 2, 3, 7). В составе бортового оборудования ЛА всегда присутствуют, в какой-либо комбинации системы для одновременного измерения курса, крена, тангажа, ускорения и скорости. Например, это могут быть одновременно КС+ГВ+ДИС, или KB+СВС, или ИНС. В составе АНС возможны и другие комбинации автономных датчиков для измерения курса, крена, тангажа, ускорения и скорости. Кроме этого, для целей резервирования, в составе бортового оборудования ЛА одновременно применяют несколько датчиков для измерения однотипных параметров. Так, очень типичными для оборудования современных самолетов являются следующие комбинации автономных датчиков для измерения курса, крена, тангажа, ускорения и скорости - ИНС+KB+СВС и ИНС+ИНС+KB+СВС+ДИС. Для оборудования современных вертолетов типичными являются следующие комбинации автономных датчиков для измерения курса, крена, тангажа, ускорения и скорости - ИНС+KB+ДИСС+СВС и КС+ГВ+ГВ+СВС+ДИС. На основе данных о курсе, крене, тангаже, ускорении и скорости в составе АНС определяют значения составляющих вектора путевой скорости в земной (географической и/или ортодромической) системе координат и осуществляют счисление координат местоположения ЛА. Гироскопические датчики курса, крена и тангажа из состава КС, ГВ, KB и ИНС, как правило, недостаточно точны и имеют увеличивающуюся во времени погрешность. Датчики ускорения и скорости так же, как правило, имеют достаточно большие погрешности и координаты, полученные счислением скорости, будут недостаточно точны и так же будут содержать увеличивающуюся во времени погрешность. Таким образом, основным недостатком АНС является недостаточная точность определения скорости и координат местоположения ЛА. В составе бортового оборудования ЛА этот недостаток АНС устраняют путем периодической коррекции данных по скорости и координатам от других высокоточных, но неавтономных систем. Как следует из вышеупомянутой книги "Навигационные приборы и системы" (глава 8, 9), а также книги Ярлыкова М. С. "Статистическая теория радионавигации". М. : Радио и связь, 1985, для этих целей могут быть использованы данные от радиотехнических систем дальней и ближней навигации, корреляционно-экстремальных навигационных систем по различным геофизическим полям Земли, астросистем и др. В настоящее время в составе бортового оборудования ЛА все большее применение находят спутниковые навигационные системы (СНС). На основе сигналов, принимаемых от искусственных спутников Земли, СНС обеспечивают высокоточные измерения координат местоположения и составляющих вектора скорости ЛА в географической системе координат. Описание принципов построения и особенностей функционирования СНС приведено в вышеупомянутой книге "Статистическая теория радионавигации" (глава 12). Анализ тенденций развития бортового оборудования современных ЛА показывает, что использование сигналов от СНС в обозримом будущем будет основным способом повышения точности определения скорости и координат местоположения на борту ЛА. Для предлагаемой комплексной навигационной системы наиболее близкой по технической сущности из известных аналогов является инерциально-радионавигационная система, структурные схемы которой приведены на рис. 9.4 в вышеупомянутой книге "Навигационные приборы и системы" (cтp. 394). При этом имеем в виду, что, поскольку СНС обеспечивает одновременное измерение скорости и координат местоположения, вместо "Навигационного корректора" и "ДИСС" используется СНС. Будем считать, что данная комплексная навигационная система (КНС), с учетом только существенных для предлагаемого изобретения признаков, а также с целью большей функциональной общности, содержит автономную навигационную систему (АНС), спутниковую навигационную систему (СНС), два интегратора (И1, И2), два корректирующих фильтра (Ф1, Ф2) и четыре сумматора (С1, С2, С3, С4). Основным недостатком данной КНС является потенциально недостаточная точность коррекции координат местоположения и скорости полета ЛА по данным от СНС. Как известно, для СНС, как отечественных, так и зарубежных, такт обновления данных о скорости и координатах местоположения равен 1 секунде. Это означает, что в течение одной секунды выходные сигналы СНС несмотря на перемещение и различные маневры ЛА постоянны. При этом они с высокой степенью точности отнесены к определенному моменту времени. Для потребителей сигналов СНС этот момент времени обозначается специальным кратковременным сигналом типа разовой команды, выдаваемым с отдельного выхода СНС. При этом начало выдачи из СНС выходных сигналов по скорости и координатам может быть смещено во времени относительно этой разовой команды на строго фиксированный временной интервал (далее ТЭ). Как показывает практика, значение этого интервала для различных типов СНС может находиться в диапазоне 0,1-0,3 секунды. Бортовое оборудование современных ЛА, как правило, базируется на элементах цифровой техники, поэтому корректируемые сигналы по скорости и координатам также имеют дискретный характер. Однако такт их обновления, как правило, не превышает 0,1 секунды, что на порядок меньше такта обновления сигналов от СНС и поэтому при дальнейшем анализе дискретностью свойств их сигналов можно пренебречь. Неучет дискретных свойств сигналов от СНС может приводить к погрешности коррекции координат и скорости ЛА. Как показывает теоретический и экспериментальный анализ характера проявления погрешностей, они носят случайный характер, а их характеристики соответствуют равномерному закону распределения вероятностей. Математические ожидания погрешностей по координатам MX и скорости MV прямо пропорциональны такту обновления данных в СНС ТCHC и, соответственно, текущей путевой скорости V и текущему относительному ускорению а. MX= VTСНС/2; MV= aTСНС/2. Среднеквадратические отклонения погрешностей по координатам X и скорости V также находятся в прямо пропорциональной зависимости от такта обновления данных в СНС ТCHC и, соответственно, текущей путевой скорости ЛА V и текущего относительного ускорения ЛА а: X= VTСНС/3,464; V= aTСНС/3,464. Предлагаемая комплексная навигационная система позволяет обеспечить повышение точности определения скорости и координат местоположения ЛА. Технический результат в части повышения точности определения координат местоположения ЛА обеспечивается введением в состав комплексной навигационной системы дополнительных первого усилителя (У1), третьего интегратора (И3), пятого сумматора (С5) и линии задержки (ЛЗ). Технический результат в части повышения точности определения скорости полета ЛА обеспечивается введением в состав комплексной навигационной системы дополнительных второго усилителя (У2), четвертого интегратора (И4) и шестого сумматора (С6). Кроме этого, учитывая, что в некоторых АНС, особенно из состава предыдущих поколений авиационной техники, не всегда доступен выход по ускорению ЛА, с целью расширения функциональных возможностей, в состав КНС дополнительно введено дифференциальное звено (ДЗ). На фиг. 1 представлена структурная блок-схема КНС - прототипа. На фиг. 2, 3 и 4 представлены блок-схемы предлагаемой КНС. На фиг. 5 приведен рисунок, иллюстрирующий дискретные свойства выходных сигналов СНС. Предлагаемая КНС содержит: 1 - АНС, 2 - СНС, 3 - И1, 4 - И2, 5 - Ф1, 6 - Ф2, 7 - С1, 8 - С2, 9 - С3, 10 - С4, 11 - И3, 12 - У1, 13 - С5, 14 - ЛЗ, 15 - И4, 16 - У2, 17 - С6, 18 - ДЗ. С помощью АНС определяют вектор ускорения ЛА aЛА. В составе КНС АНС связана с С1, У2 и И4. С помощью СНС определяют вектор скорости VСНС и вектор координат местоположения ЛА ХСНС. СНС также формирует и выдает с периодом в одну секунду кратковременный сигнал типа разовой команды "МВ" (метка времени). В составе КНС СНС связана с ЛЗ, С3 или С5, С4 или С6. С помощью С1 в векторный сигнал ускорения ЛА aЛА вводят корректирующий сигнал от Ф2 К2 в соответствии с соотношением: aКЛА= aЛА-K2. При необходимости в сигнале ускорения аЛА с помощью корректирующего сигнала K2 компенсируют вектор ускорения силы тяжести g. В составе КНС С1 связан с АНС, И1 и Ф2. С помощью И1 определяют вектор скорости VЛА в соответствии с соотношением: VЛА= aКЛАdt. Нулевое начальное состояние интегратора задается в момент включения системы. В составе КНС И1 связан с С1, С2, С4, У1, И3 и ДЗ. С помощью С2 в векторный сигнал ускорения ЛА VЛА вводят корректирующий сигнал от Ф1 К1 в соответствии с соотношением:VКЛА= VЛА-K1.
В составе КНС С2 связан с И1, И2 и Ф1. С помощью И2 определяют вектор координат местоположения ХЛА в соответствии с соотношением:
XЛА= VКЛАdt.
Начальное состояние интегратора задается в момент включения системы. В составе КНС И2 связан с С2 и С3. С помощью С3 осуществляют измерение погрешности в векторном сигнале координат местоположения ХЛА по данным о векторе координат местоположения ХСНС, полученного по данным от СНС или вычисленного в третьем интеграторе:
XЛА= XЛА-XСНС.
В составе КНС С3 связан с И2, Ф1, СНС или И3. С помощью С4 осуществляют измерение погрешности в векторном сигнале скорости VЛА по данным о векторе скорости VСНС, полученного по данным от СНС или вычисленного в четвертом интеграторе:
VЛА= VЛА-VСНС.
В составе КНС С4 связан с И1, Ф2, СНС или И4. С помощью корректирующих фильтра Ф1 и Ф2 формируют корректирующие сигналы К1 и К2, подаваемые через С1 и С2 на входы И1 и И2. Формирование корректирующих сигналов, обеспечивающих оценку погрешностей КНС по скорости и координатам местоположения, может быть осуществлено с использованием любого из известных методов оценивания случайных сигналов. Например, при описании устройства-прототипа в вышеупомянутой книге "Навигационные устройства" на стр. 394-395 говорится, что ". . . каналы коррекции обеспечивают приемлемые динамические свойства комплексной системы при простейших передаточных функциях фильтров коррекции в виде усилительных звеньев. . . ". Лучшие динамические свойства дает применение методов оптимального комплексирования. Например, в Ф1 и Ф2 может быть использован метод оптимальной фильтрации Калмана. Описание принципов построения и особенностей построения фильтров коррекции на основе метода оптимальной фильтрации Калмана приведено в вышеупомянутой книге "Статистическая теория радионавигации" (глава 5). В составе КНС Ф1 связан с С3 и С2. В составе КНС Ф2 связан с С4 и С1. С помощью И3, У1, С5 и ЛЗ осуществляют синхронизацию существенно дискретных сигналов от СНС по координатам с аналогичными сигналами, полученными по данным от АНС в соответствии с соотношением:
ХВ СНС - выходной сигнал СНС по координатам. С помощью У1 осуществляют экстраполяцию (прогнозирование) приращения вектора координат от СНС на фиксированный интервал времени ТЭ. ХЭ= ТЭVЛА. В составе КНС У1 связан с И1 и С5. С помощью С5 осуществляют экстраполяцию вектора координат от СНС на фиксированный момент времени Т0+ТЭ (Т0 - момент выдачи разовой команды "MB":
XВЭ CHC= XВ CHC+Xэ
В составе КНС С5 связан с СНС, И3 и У1. С помощью И3 осуществляют экстраполяцию значения вектора координат от СНС на текущий момент времени путем счисления вектора скорости ЛА на интервале времени от 0 до 1 секунды:
Начальное состояние интегратора, равное ХВЭ СНС, задается в момент поступления в интегратор из СНС и задержанной в ЛЗ на время ТЭ разовой команды "МВ". В составе КНС И3 связан с И1, ЛЗ, С5 и С3. С помощью ЛЗ осуществляют задержку разовой команды "MB" от СНС на фиксированный интервал времени ТЭ. В составе КНС ЛЗ связана с СНС, И3 и И4. С помощью И4, У2 и С6 осуществляют синхронизацию существенно дискретных сигналов от СНС по скорости с аналогичными сигналами, полученными по данным от АНС в соответствии с соотношением:
С помощью У2 осуществляют экстраполяцию приращения вектора скорости от СНС на фиксированный интервал времени ТЭ:
VЭ= TЭaЛА.
В составе КНС У2 связан с С6 и АНС или ДЗ. С помощью С6 осуществляют экстраполяцию вектора скорости от СНС на фиксированный момент времени Т0+ТЭ:
VВЭ СНС= VВ СHС+Vэ. В составе КНС С6 связан с СНС, И4 и У2. С помощью И4 осуществляют экстраполяцию значения вектора скорости от СНС на текущий момент времени путем счисления вектора ускорения ЛА на интервале времени от 0 до 1 секунды:
Начальное состояние интегратора, равное VВЭ СНС, задается в момент поступления в интегратор из СНС и задержанной в ЛЗ разовой команды "МВ". В составе КНС И4 связан с АНС или ДЗ, ЛЗ, С4 и С6. ДЗ предназначено для определения вектора ускорения ЛА, в случае если в составе АНС не предусмотрена возможность использования сигнала по ускорению в других устройствах, помимо использования его для получения вектора скорости ЛА. В составе КНС ДЗ связано с И1, У2 и И4. Таким образом, на примерах реализации показано достижение технических результатов.
Формула изобретения
РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5
Похожие патенты:
Комплексная система определения курса // 2178146
Изобретение относится к области авиационного приборостроения
Способ измерения курса летательного аппарата // 2178145
Изобретение относится к области авиационного приборостроения
Многофункциональный самолет // 2177897
Изобретение относится к технике управления самолетами-истребителями и самолетами тактической авиации в ближнем воздушном бою
Трехмерный дисплей бокового отклонения // 2173660
Навигационный комплекс летательного аппарата // 2170410
Изобретение относится к навигации и может быть использовано в навигационных комплексах летательных аппаратов, преимущественно многоцелевых истребителей
Навигационный комплекс летательного аппарата // 2170409
Изобретение относится к области навигации и может быть использовано в навигационных комплексах летательных аппаратов, преимущественно многоцелевых истребителей
Комплексная навигационная система // 2168704
Изобретение относится к авиационному приборостроению и может быть использовано в составе бортового оборудования летательных аппаратов для решения задач наведения, прицеливания и применения боевых средств
Система навигации // 2168703
Изобретение относится к авиационному приборостроению и может быть использовано в составе бортового оборудования летательных аппаратов, обеспечивающего их управление и наведение
Прицельно-навигационный комплекс // 2168154
Изобретение относится к авиационному приборостроению и может быть использовано в составе бортового самолетного оборудования, обеспечивающего выполнение задач навигации и целеуказания
Изобретение относится к области навигации летательных аппаратов (ЛА) преимущественно при полетах в сложных метеоусловиях
Изобретение относится к области авиастроения и предназначено для использования в тактической авиации, выполняющей обнаружение и поражение воздушных, надводных и наземных целей
Навигационное устройство // 2190189
Комплексная аппаратура счисления координат // 2195632
Изобретение относится к области навигации наземных транспортных средств, а именно к интегрированной (комплексной) навигационной аппаратуре на основе аппаратуры счисления координат (одометрической) и позиционной навигационной аппаратуры (спутниковой)
Изобретение относится к комплексам радиолокационной аппаратуры (КРА) взлета и посадки воздушных судов и может быть использовано в системах управления воздушным движением
Изобретение относится к радиолокационным системам посадки летательных аппаратов и может быть использовано в системах управления воздушным движением
Изобретение относится к бортовому оборудованию вертолета, обеспечивающему навигацию, индикацию и управление
Система индикации летательного аппарата // 2206872
Изобретение относится к визуальному отображению графической и текстовой информации и может быть использовано в системах индикации летательных аппаратов, в частности самолетов, вертолетов