Способ определения ориентации относительно плоскости горизонта
Владельцы патента RU 2759446:
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Российский университет дружбы народов" (РУДН) (RU)
Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано при создании навигационных систем и систем начальной ориентации навигационно-измерительных комплексов. Сущность изобретения состоит в том, что для определения ориентации относительно плоскости горизонта на первом этапе осуществляется последовательный дискретный поворот по углу тангажа основания, в плоскости которого по осям тангажа и крена размещены два акселерометра, на заданный угол (n-1) раз, в каждом положении акселерометра крена осуществляется низкочастотная фильтрация его выходного сигнала и попарное вычитание сигналов, полученных в соседних положениях, а прекращение поворота определяется достижением заданного значения величины n или изменением знака разности сигналов, полученных в соседних положениях; из массива всех возможных значений точных разностей проекций ускорения силы тяжести на ось акселерометра крена методом перебора осуществляется выбор (n-1) значений разностей, максимально совпадающих по заданному критерию с рядом (n-1) значений разностей выходных сигналов акселерометра крена, после чего определяется угол тангажа n-го положения основания относительно плоскости горизонта, соответствующий n-му точному значению проекции ускорения силы тяжести на ось акселерометра крена; на втором этапе осуществляются аналогичные операции по углу крена - для акселерометра тангажа, после чего определяется угол крена n-го положения основания относительно плоскости горизонта. Технический результат – повышение точности определения ориентации относительно плоскости горизонта с использованием широкого класса акселерометров при разработке навигационных систем и систем начальной ориентации навигационно-измерительных комплексов.
Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано при создании навигационных систем и систем начальной ориентации навигационно-измерительных комплексов.
Известны способы определения ориентации относительно плоскости горизонта, основанные на управлении приведением вращающегося основания с расположенными на нем акселерометрами, оси чувствительности которых сориентированы по осям тангажа и крена, в плоскость горизонта по выходным сигналам этих акселерометров [Назаров Б.И. и др. Командно-измерительные приборы / М.: МО СССР, 1987 г., 640 с]. Недостатками их являются сложность управления разворотом основания и низкая точность, обусловленная отсутствием возможности компенсации различных помех измерения акселерометров.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ с использованием двух ортогонально расположенных в плоскости вращающегося основания акселерометров, оси чувствительности которых сориентированы по осям тангажа и крена, состоящий в вычислении углов тангажа и крена непосредственно по выходным сигналам этих акселерометров [В.В. Матвеев, В.Я. Распопов. Основы построения бесплатформенных инерциальных навигационных систем / СПб.: ГНЦ РФ ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2009. 280 с.: стр. 162]. Недостатком данного способа является низкая точность, обусловленная невозможностью компенсации как постоянных, случайных в запуске, так и нестационарных случайных помех, присутствующих в выходном сигнале акселерометра.
Заявленное изобретение направлено на решение задачи повышения точности определения ориентации относительно плоскости горизонта с использованием широкого класса акселерометров.
Поставленная задача возникает при разработке навигационных систем и систем начальной ориентации навигационно-измерительных комплексов.
Для обеспечения высокой точности определения ориентации относительно плоскости горизонта предлагается способ, заключающийся в том, что на первом этапе осуществляется последовательный дискретный поворот по углу тангажа вращающегося основания, в плоскости которого размещены ортогонально друг другу два акселерометра, оси чувствительности которых сориентированы по осям тангажа и крена (далее -акселерометры тангажа и крена, соответственно), на заданный угол (n-1) раз, в каждом очередном положении оси чувствительности акселерометра крена осуществляется низкочастотная фильтрация его выходного сигнала в течение фиксированного интервала времени, после чего осуществляется попарное вычитание выходных сигналов, полученных в соседних угловых положениях оси чувствительности акселерометра крена, и прекращение поворота определяется или достижением заданного значения величины n, или изменением знака разности сигналов, полученных в соседних угловых положениях оси чувствительности акселерометра крена; при этом до начала процесса изменения ориентации вращающегося основания рассчитываются точные разности значений проекций ускорения силы тяжести на ось чувствительности акселерометра крена для всех возможных соседних значений углов тангажа в заданном интервале их изменения, из массива которых методом перебора осуществляется выбор (n-1) последовательных значений точных разностей проекций ускорения силы тяжести, максимально совпадающих по заданному критерию совпадения с рядом соответствующих (n-1) значений разностей выходных сигналов, полученных в соседних угловых положениях оси чувствительности акселерометра крена, после чего определяется угол тангажа относительно плоскости горизонта, соответствующий n-му точному значению проекции ускорения силы тяжести на ось чувствительности акселерометра крена, который с высокой точностью является углом тангажа n-го положения вращающегося основания относительно плоскости горизонта; на втором этапе осуществляется последовательный дискретный поворот вращающегося основания по углу крена на заданный угол (n-1) раз, в каждом очередном положении оси чувствительности акселерометра тангажа осуществляется низкочастотная фильтрация его выходного сигнала в течение фиксированного интервала времени, после чего осуществляется попарное вычитание выходных сигналов, полученных в соседних угловых положениях оси чувствительности акселерометра тангажа, и прекращение поворота определяется или достижением заданного значения величины n, или изменением знака разности выходных сигналов, полученных в соседних угловых положениях оси чувствительности акселерометра тангажа; при этом до начала процесса изменения ориентации вращающегося основания рассчитываются точные разности значений проекций ускорения силы тяжести на ось чувствительности акселерометра тангажа для всех возможных соседних значений углов крена в заданном интервале их изменения при равном нулю угле тангажа, которые по окончании первого этапа масштабируются умножением на косинус угла тангажа n-го положения вращающегося основания относительно плоскости горизонта, после чего из полученного массива значений методом перебора осуществляется выбор (n-1) последовательных значений точных разностей проекций ускорения силы тяжести, максимально совпадающих по заданному критерию совпадения с рядом соответствующих (n-1) значений разностей выходных сигналов, полученных в соседних угловых положениях оси чувствительности акселерометра тангажа, после чего определяется угол крена относительно плоскости горизонта, соответствующий n-му точному значению проекции ускорения силы тяжести на ось чувствительности акселерометра тангажа, который с высокой точностью является углом крена n-го положения вращающегося основания относительно плоскости горизонта.
Существо способа состоит в следующем.
Выходной сигнал Z широкого класса современных акселерометров (маятниковых, оптических, на основе MEMS-технологий и др.) может быть представлен в следующем виде:
где k - масштабный коэффициент измерения,
А - проекция измеряемого ускорения на ось чувствительности акселерометра;
S=const - постоянная помеха, случайная в запуске,
W - широкополосная случайная помеха.
С целью реализации высокоточного определения ориентации вращающегося основания (например, гироплатформы) в условиях помех измерения акселерометров в плоскости данного основания по осям тангажа и крена размещаются ортогонально друг другу два акселерометра, сигналы измерения которых описываются выражением (1). При отклонении вращающегося основания (ВО) от плоскости горизонта на углы тангажа ϑ и крена ϕ сигналы измерения акселерометров имеют вид [В.В. Матвеев, В.Я. Распопов. Основы построения бесплатформенных инерциальных навигационных систем / СПб.: ГНЦ РФ ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2009. 280 с.: стр. 161, рис. 3.21]:
где Zϑ, Zϕ - выходные сигналы измерения акселерометров, оси чувствительности которых сориентированы по осям тангажа и крена, соответственно,
g - ускорение силы тяжести,
Sϑ, Sϕ - постоянные случайные помехи акселерометров, оси чувствительности которых сориентированы по осям тангажа и крена, соответственно,
Wϑ,Wϕ - широкополосные случайные помехи акселерометров, оси чувствительности которых сориентированы по осям тангажа и крена, соответственно.
Т.к. в исходном положении углы разворота ВО относительно плоскости горизонта по тангажу ϑ и крену ϕ неизвестны, то для выставки ВО относительно плоскости горизонта с высокой точностью на первом этапе осуществляется последовательный дискретный разворот ВО по углу тангажа на заданный угол Δϑ (n-1) раз и, соответственно, разворот акселерометра, ось чувствительности которого сориентирована по оси крена (далее - акселерометр Aϕ). В каждом очередном i-м (i=1, 2, …, n) положении оси чувствительности акселерометра Аϕ осуществляется низкочастотная фильтрация его выходного сигнала (например, с использованием фильтра Баттерворта высокого порядка) в течение фиксированного интервала времени, зависящего от частоты съема измерений акселерометра. По окончании процесса фильтрации выходной сигнал акселерометра Aϕ в i-м положении Zϕi становится равным:
где ϑi - неизвестный угол тангажа оси чувствительности акселерометра Aϕ в i-м положении. Далее осуществляется попарное вычитание сигналов Zϕi, полученных в соседних угловых положениях оси чувствительности акселерометра Aϕ (углы разворота по тангажу которых отличаются на Δϑ):
Прекращение поворота определяется или достижением заданного значения величины n, или изменением знака разности δi.
Эталонный массив точных значений 
рассчитывается до начала процесса выставки ВО относительно плоскости горизонта для всех возможных значений углов ϑn в заданном интервале их изменения с требуемой точностью (максимальные значения границ интервала здесь будут равны 
- при этом, например, при расчете углов ϑn с шагом дискретизации 10 угл. сек максимальный размер массива вычисленных значений разности косинусов составит всего 32400 значений, что для современных вычислителей трудности не представляет).
После формирования (n-2) значений δi на основании проведенных измерений осуществляется методом перебора выбор ряда (n-2) последовательных значении из эталонного массива точных значении, максимально совпадающих с рядом (n-2) значений δi. Сравнение производится на основе заданных критериев совпадения, например, 
где α, α1 - заданные величины; 
и др.
После формирования ряда эталонных (n-2) последовательных точных значений 
определяется соответствующий значению 
угол δn=δn-1+Δϑ, который с высокой точностью и будет углом тангажа n-го положения оси чувствительности акселерометра Аϕ и, соответственно, ВО. На втором этапе осуществляется последовательный дискретный разворот ВО по углу крена на заданный угол Δϕ (n-1) раз и, соответственно, разворот акселерометра, ось чувствительности которого сориентирована по оси тангажа (далее - акселерометр Аϑ). В каждом очередном i-м (i=1, 2, …, n) положении оси чувствительности акселерометра Аϑ осуществляется низкочастотная фильтрация его выходного сигнала в течение фиксированного интервала времени, зависящего от частоты съема измерений данного акселерометра. По окончании процесса фильтрации выходной сигнал акселерометра Аϑ в i-м положении Zϑi становится равным
где ϕi - неизвестный угол крена оси чувствительности акселерометра Аϑ в i-м положении.
Далее осуществляется попарное вычитание сигналов 
, полученных в соседних угловых положениях оси чувствительности акселерометра Аϑ (углы разворота по крену которых отличаются на Δϕ):
Прекращение поворота определяется или достижением заданного значения величины n, или изменением знака разности σi.
Эталонный массив точных значений 
рассчитывается следующим образом:
- аналогично расчетам для углов тангажа до начала процесса выставки ВО относительно плоскости горизонта для всех возможных значений углов крена ϕn в заданном интервале их изменения рассчитываются значения 
При этом в случае выбора Δϕ=Δϑ расчеты не производятся - используется массив полученных ранее значений 
- массив полученных значений 
масштабируется умножением на cosϑn: 
После формирования (n-2) значений σi на основании проведенных измерений методом перебора осуществляется выбор ряда (n-2) последовательных значений 
из эталонного массива точных значений, максимально совпадающих с рядом (n-2) значений σi.. Сравнение производится на основе заданных критериев совпадения, например, 
где α, α1 - заданные величины; 
и др. После формирования ряда эталонных (n-2) последовательных точных значений 
определяется соответствующий значению 
угол ϕn=ϕn-1+Δϕ, который с высокой точностью и будет углом крена n-го положения оси чувствительности акселерометра Аϑ и, соответственно, ВО.
Таким образом, реализация предложенного способа позволяет в процессе начальной ориентации ВО исключить помехи измерения, характерные для широкого класса акселерометров, и тем самым существенно повысить точность процесса определения ориентации ВО относительно плоскости горизонта.
Способ определения ориентации вращающегося основания относительно плоскости горизонта, заключающийся в том, что на первом этапе осуществляется последовательный дискретный поворот по углу тангажа вращающегося основания, в плоскости которого размещены ортогонально друг другу два акселерометра, оси чувствительности которых сориентированы по осям тангажа и крена (далее - акселерометры тангажа и крена, соответственно), на заданный угол (n-1) раз, в каждом очередном положении оси чувствительности акселерометра крена осуществляется низкочастотная фильтрация его выходного сигнала в течение фиксированного интервала времени, после чего осуществляется попарное вычитание выходных сигналов, полученных в соседних угловых положениях оси чувствительности акселерометра крена, и прекращение поворота определяется или достижением заданного значения величины n, или изменением знака разности сигналов, полученных в соседних угловых положениях оси чувствительности акселерометра крена; при этом до начала процесса изменения ориентации вращающегося основания рассчитываются точные разности значений проекций ускорения силы тяжести на ось чувствительности акселерометра крена для всех возможных соседних значений углов тангажа в заданном интервале их изменения, из массива которых методом перебора осуществляется выбор (n-1) последовательных значений точных разностей проекций ускорения силы тяжести, максимально совпадающих по заданному критерию совпадения с рядом соответствующих (n-1) значений разностей выходных сигналов, полученных в соседних угловых положениях оси чувствительности акселерометра крена, после чего определяется угол тангажа относительно плоскости горизонта, соответствующий n-му точному значению проекции ускорения силы тяжести на ось чувствительности акселерометра крена, который с высокой точностью является углом тангажа n-го положения вращающегося основания относительно плоскости горизонта; на втором этапе осуществляется последовательный дискретный поворот вращающегося основания по углу крена на заданный угол (n-1) раз, в каждом очередном положении оси чувствительности акселерометра тангажа осуществляется низкочастотная фильтрация его выходного сигнала в течение фиксированного интервала времени, после чего осуществляется попарное вычитание выходных сигналов, полученных в соседних угловых положениях оси чувствительности акселерометра тангажа, и прекращение поворота определяется или достижением заданного значения величины n, или изменением знака разности выходных сигналов, полученных в соседних угловых положениях оси чувствительности акселерометра тангажа; при этом до начала процесса изменения ориентации вращающегося основания рассчитываются точные разности значений проекций ускорения силы тяжести на ось чувствительности акселерометра тангажа для всех возможных соседних значений углов крена в заданном интервале их изменения при равном нулю угле тангажа, которые по окончании первого этапа масштабируются умножением на косинус угла тангажа n-го положения вращающегося основания относительно плоскости горизонта, после чего из полученного массива значений методом перебора осуществляется выбор (n-1) последовательных значений точных разностей проекций ускорения силы тяжести, максимально совпадающих по заданному критерию совпадения с рядом соответствующих (n-1) значений разностей выходных сигналов, полученных в соседних угловых положениях оси чувствительности акселерометра тангажа, после чего определяется угол крена относительно плоскости горизонта, соответствующий n-му точному значению проекции ускорения силы тяжести на ось чувствительности акселерометра тангажа, который с высокой точностью является углом крена n-го положения вращающегося основания относительно плоскости горизонта.
