RU2607197C2 - Astronomical navigation system - Google Patents

Astronomical navigation system Download PDF

Info

Publication number
RU2607197C2
RU2607197C2 RU2014153236A RU2014153236A RU2607197C2 RU 2607197 C2 RU2607197 C2 RU 2607197C2 RU 2014153236 A RU2014153236 A RU 2014153236A RU 2014153236 A RU2014153236 A RU 2014153236A RU 2607197 C2 RU2607197 C2 RU 2607197C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
navigation
aircraft
outputs
gravimeters
acceleration
Prior art date
Application number
RU2014153236A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2014153236A (en
Inventor
Сергей Альбертович Болотнов
Сергей Гарриевич Брайткрайц
Юрий Николаевич Герасимчук
Владимир Константинович Ильин
Иван Сергеевич Каютин
Максим Борисович Людомирский
Геннадий Васильевич Трубицин
Николай Евгеньевич Ямщиков
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственный комплекс "Электрооптика" (ООО "НПК "Электрооптика")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственный комплекс "Электрооптика" (ООО "НПК "Электрооптика") filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственный комплекс "Электрооптика" (ООО "НПК "Электрооптика")
Priority to RU2014153236A priority Critical patent/RU2607197C2/en
Publication of RU2014153236A publication Critical patent/RU2014153236A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2607197C2 publication Critical patent/RU2607197C2/en

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01CMEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C21/00Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00
    • G01C21/02Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by astronomical means

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Astronomy & Astrophysics (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Navigation (AREA)

Abstract

FIELD: instrument making.
SUBSTANCE: invention relates to instrument making and can be used in high-precision astroinertial navigation systems of aircrafts (AC). For this purpose, astroinertial AC system is additionally introduced with gravimeters, altimeters unit for measuring vertical acceleration of aircraft, gravitational acceleration processing unit and adders, the gravimeters are mounted on a separate platform, made with possibility of synchronous movement with aircraft and parallel to horizontal plane, the outputs of gravity meters and altimeter unit for measuring of vertical acceleration of aircraft are connected to computer inputs of gravitational acceleration meter which outputs are connected through adders to navigation computer of gimballess inertial navigation system, and outputs of accelerometers are connected to second inputs of adders.
EFFECT: technical result consists in increase of accuracy of output parameters by taking into account during measurements in real time of change of gravitational components of gravity acceleration.
1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области приборостроения - высокоточным астроинерциальным навигационным системам для применения в составе пилотируемых и беспилотных летательных аппаратов.The invention relates to the field of instrumentation - high-precision astroinertial navigation systems for use in manned and unmanned aerial vehicles.

Известны способ и устройство астроинерциальной навигации, включающее стабилизированную платформу с тремя карданными подвесами, на которую установлено астровизирующее устройство с двумя степенями свободы, разработанное для слежения за звездами днем или ночью. Вычислитель хранит данные позиционирования для 61 звезды, реализует алгоритмы платформенной инерциальной системы и осуществляет коррекцию определенных инерциальной системой навигационных параметров по результатам астрономических измерений. Высокая точность астроинерциальных измерений обуславливается качеством привязки оси визирования звезд к местной вертикали, которая реализуется инерциальной навигационной системой посредством установки платформы в горизонтальное положение. Астрокоррекция уменьшает погрешность определения истинного курса и ошибку ее позиционирования независимо от времени полета «Northrop star tracer aboard В-1B. Julian Moxom. Air Force Association Show. October 1983», а также работы «NAS-21 astro/inertial navigation system (United States). Jane's Avionics, July, 1997».A known method and device for astroinertial navigation, including a stable platform with three cardan suspensions, on which an astroizing device with two degrees of freedom is installed, designed to track the stars day or night. The calculator stores positioning data for 61 stars, implements the algorithms of the platform inertial system, and corrects the navigation parameters determined by the inertial system according to the results of astronomical measurements. High accuracy of astroinertial measurements is determined by the quality of binding the axis of sight of stars to the local vertical, which is implemented by an inertial navigation system by setting the platform in a horizontal position. Astro correction reduces the error in determining the true course and the error in its positioning, regardless of the flight time of the Northrop star tracer aboard B-1B. Julian Moxom. Air Force Association Show. October 1983 ", as well as the work of" NAS-21 astro / inertial navigation system (United States). Jane's Avionics, July 1997 ".

Однако данным системам присущи существенные недостатки. Точность и надежность систем ограничиваются большим количеством вращающихся рамок (не менее пяти), необходимостью прецизионной точности преобразователей, а также необходимостью регулярных наземных калибровок.However, these systems have significant disadvantages. The accuracy and reliability of systems is limited by a large number of rotating frames (at least five), the need for precision converters, and the need for regular ground calibrations.

Наиболее близким техническим решением является бесплатформенная астроинерциальная навигационная система (Патент РФ №141801 от 13.12.2013 г., МПК G01C 21/02). В ее состав входят:The closest technical solution is the strapdown astroinertial navigation system (RF Patent No. 141801 of December 13, 2013, IPC G01C 21/02). It consists of:

- бесплатформенная инерциальная навигационная система (БИНС), представляющая моноблок, содержащий лазерные гироскопы, акселерометры, встроенный навигационный приемник сигналов СНС ГЛОНАСС/GPS, блок питания, модуль процессора для обработки цифровой информации и выполнения вычислительных процессов в соответствии с рабочей программой, хранящейся во встроенном запоминающем устройстве (типа flash), обеспечивающий определение угловых параметров положения и решение навигационных задач;- a strapdown inertial navigation system (SINS), which is a monoblock containing laser gyroscopes, accelerometers, an integrated GLONASS / GPS SNA navigation receiver, a power supply, a processor module for processing digital information and performing computational processes in accordance with the work program stored in the built-in memory a device (type flash), which provides the determination of angular position parameters and the solution of navigation problems;

- астровизирующее устройство (АВУ), в состав которого входят звездный датчик, блок электроники, защитный корпус, солнечный датчик;- Astrovizing device (AVU), which includes a star sensor, an electronics unit, a protective housing, a solar sensor;

блок оптического сопряжения, в состав которого входят искусственный источник света, призма и фотоприемное устройство.optical interface unit, which includes an artificial light source, a prism and a photodetector.

Звездный датчик, в свою очередь, состоит из: основания, узла ПЗС-матрицы, узла видеотракта, объектива со встроенным затвором, бленды. Блок электроники состоит из узла процессора и платы вторичного источника питания.The star sensor, in turn, consists of: a base, a CCD sensor assembly, a video path assembly, a lens with a built-in shutter, and a lens hood. The electronics unit consists of a processor unit and a secondary power supply board.

Недостатками указанного устройства являются ограниченная точность выходных параметров, обусловленная использованием в модуле процессора БИНС расчетных картографических данных, а не фактических значений гравитационной составляющей ускорения силы тяжести.The disadvantages of this device are the limited accuracy of the output parameters due to the use of the calculated cartographic data in the SINS processor module, and not the actual values of the gravitational component of gravity acceleration.

Технической задачей настоящего изобретения является повышение точности выходных параметров за счет учета в процессе измерений в реальном времени изменения гравитационных составляющих ускорения силы тяжести.The technical task of the present invention is to improve the accuracy of the output parameters by taking into account in the process of measurement in real time changes in the gravitational components of the acceleration of gravity.

Для реализации поставленной задачи в астронавигационную систему, установленную на летательном аппарате и содержащую бесплатформенную инерциальную навигационную систему, включающую акселерометры, гироскопы, приемник спутниковой радионавигационной системы, навигационный вычислитель, астровизирующее устройство с вычислителем, определяющим угловые параметры визирования звезд и подключенным к навигационному вычислителю бесплатформенной инерциальной навигационной системы, при этом выходы приемника спутниковой радионавигационной системы и гироскопов соединяют с входами навигационного вычислителя бесплатформенной инерциальной навигационной системы, в систему вводят гравиметры, блок высотомеров для измерения вертикального ускорения летательного аппарата, вычислитель ускорения силы тяжести и сумматоры, при этом гравиметры устанавливают на отдельной платформе, выполненной с возможностью синхронного перемещения с перемещением летательного аппарата и параллельно плоскости горизонта, причем выходы гравиметров и блока высотомеров для измерения вертикального ускорения летательного аппарата соединяют с входами вычислителя ускорения силы тяжести, выходы которого подключены через сумматоры к навигационному вычислителю бесплатформенной инерциальной навигационной системы, а выходы акселерометров соединяют с вторыми входами сумматоров.To accomplish this task, an astronautical system installed on an aircraft and containing a strapdown inertial navigation system, including accelerometers, gyroscopes, a satellite radio navigation system receiver, a navigation computer, an astrovization device with a computer that determines the angular parameters of star sighting and is connected to a free navigation navigation calculator system, while the outputs of the satellite radio navigation receiver with The systems and gyroscopes are connected to the inputs of the navigation computer of the strapdown inertial navigation system, gravimeters, a block of altimeters for measuring the vertical acceleration of the aircraft, a gravity calculator and adders are introduced into the system, while the gravimeters are installed on a separate platform that can synchronously move with the movement of the aircraft apparatus and parallel to the horizon plane, and the outputs of the gravimeters and the altimeter unit for measuring the vertical Oren aircraft connected to the inputs of calculating the acceleration of gravity, the outputs of which are connected via a combiner to the navigation calculator strapdown inertial navigation system and outputs of the accelerometers connected to the second inputs of the adders.

Как известно, в программно-алгоритмическом обеспечении БИНС используются модели гравитационного поля, соответствующие выбранной модели фигуры Земли, например, референц-эллипсоиду Красовского. Это приводит к методической ошибке определения навигационных параметров, связанной с неопределенностями гравитационного поля Земли. По имеющимся оценкам отечественных и зарубежных специалистов, недостаточная информация о параметрах гравитационного поля Земли вносит следующие ошибки:As you know, in the BINS software and algorithms, gravitational field models are used that correspond to the selected model of the Earth’s figure, for example, Krasovsky’s reference ellipsoid. This leads to a methodological error in determining the navigation parameters associated with the uncertainties of the Earth's gravitational field. According to available estimates of domestic and foreign experts, insufficient information on the parameters of the Earth's gravitational field introduces the following errors:

для серийных инерциальных навигационных систем - 10% в определении координат и до 50% в определении скорости;for serial inertial navigation systems - 10% in determining coordinates and up to 50% in determining speed;

для разрабатываемых инерциальных навигационных систем - 40% в определении координат и до 5-75% в определении скорости;for developed inertial navigation systems - 40% in determining coordinates and up to 5-75% in determining speed;

для перспективных систем - 60% в определении координат и до 90% в определении скорости.for advanced systems - 60% in determining coordinates and up to 90% in determining speed.

В настоящее время фирмой Singer (США) при разработке высокоточной инерциальной системы SKN-2440 HAINS для стратегического бомбардировщика В-1 В предложено решение задачи компенсации гравитационных возмущений при помощи цифровой карты - бортовой модели гравитационного поля Земли. В этой системе используются гравитационные данные управления картографии МО США.Currently, the company Singer (USA), while developing a high-precision inertial system SKN-2440 HAINS for the strategic bomber B-1 B, has proposed a solution to the problem of compensating gravitational disturbances using a digital map - an onboard model of the Earth's gravitational field. This system uses gravity data from the United States Department of Cartography's Cartography Office.

Причина, сдерживающая разработки подобных навигационных систем авиационного назначения с использованием цифровых карт - бортовых моделей гравитационного поля Земли, объясняется необходимостью пересчета эталонных значений аномалий силы тяжести на высоту полета в процессе реализации алгоритмов систем корреляционно-экстремальной навигации (КЭНС). В противном случае в связи с затуханием аномалий силы тяжести с возрастанием высоты будет происходить существенное уменьшение отношения сигнал/шум наблюдений, что при использовании известных алгоритмов корреляционно-экстремальной навигации приведет к снижению точности оценивания и, в конечном итоге, к полной потере работоспособности КЭНС.The reason that impedes the development of such navigation systems for aviation purposes using digital maps - airborne models of the Earth's gravitational field is due to the need to recalculate the reference values of gravity anomalies by flight altitude in the process of implementing algorithms for correlation-extreme navigation systems (CENS). Otherwise, due to the attenuation of gravity anomalies with increasing altitude, there will be a significant decrease in the signal-to-noise ratio of observations, which, when using the well-known correlation-extreme navigation algorithms, will lead to a decrease in the estimation accuracy and, ultimately, to a complete loss of CENS operability.

Один из способов решения задачи пересчета аномалий силы тяжести на высоту полета заключается в использовании формулы Пуассона, которая в дискретном виде записывается следующим образом:One way to solve the problem of converting gravity anomalies to flight altitude is to use the Poisson formula, which is discrete written as follows:

Figure 00000001
Figure 00000001

где Δx, Δy - интервалы дискретизации задания значений аномалий силы тяжести на высоте уровня моря (или иной уровневой поверхности); m=-M/2…M/2, n=-N/2…N/2 - порядковые номера пространственных отсчетов значений Δgz соответственно в восточном Ox и северном Oy направлениях, Δg - изменение ускорения силы тяжести на нулевой высоте, h - высота.where Δx, Δy are the sampling intervals for setting the values of gravity anomalies at the height of the sea level (or other level surface); m = -M / 2 ... M / 2, n = -N / 2 ... N / 2 are the serial numbers of spatial samples of Δg z values in the eastern Ox and northern Oy directions, respectively, Δg is the change in the acceleration of gravity at zero height, h - height.

Экспериментально установлено эмпирическое правило, которое утверждает, что для выполнения достаточно точного пересчета аномалий силы тяжести на высоту h необходимо, чтобы Δx-M/2>10⋅h и Δy-N/2>10⋅h [Bernstein U., Hess R. The effect of vertical deflections on aircraft INS/ AIAA v. 14, №10, с/43-46]. В противном случае ошибки пересчета будут слишком высоки ввиду неучета влияния средних зон. Для случая, когда интервалы дискретизации одинаковы и равны 250 м, для вычисления каждого значения аномалий силы тяжести на высоте 5000 м по вышеуказанной формуле необходимо принимать во внимание по крайней мере 160000 значений на уровне моря. Таким образом, для осуществления процедуры пересчета значений аномалий силы тяжести на текущую высоту полета при реализации любого из известных алгоритмов корреляционно-экстремальной навигации потребуется чрезмерно высокая производительность, не реализуемая БЦВМ, особенно учитывая необходимость навигационных определений в реальном масштабе времени. Таким образом, очевиден вывод о необходимости использования в вычислителе навигационной системы реальных значений ускорения силы тяжести.An empirical rule has been established experimentally, which states that in order to accurately convert gravity anomalies to a height h, it is necessary that Δx-M / 2> 10⋅h and Δy-N / 2> 10⋅h [Bernstein U., Hess R. The effect of vertical deflections on aircraft INS / AIAA v. 14, No. 10, s / 43-46]. Otherwise, the conversion errors will be too high due to the neglect of the influence of the middle zones. In the case where the sampling intervals are the same and equal to 250 m, for calculating each value of the gravity anomalies at an altitude of 5000 m according to the above formula, it is necessary to take into account at least 160,000 values at sea level. Thus, the procedure for converting the values of gravity anomalies to the current flight altitude when implementing any of the known correlation-extreme navigation algorithms will require excessively high performance that is not implemented by the computer, especially considering the need for real-time navigation definitions. Thus, the conclusion is obvious that it is necessary to use real gravity acceleration values in the navigation system calculator.

Современные астроинерциальные системы имеют четыре режима: полностью автономный (инерциальный), астро-инерциальный, инерциально-спутниковый и астро-инерциально-спутниковый. Инерциально-спутниковый режим заключается в коррекции координат и скоростей ЛА измерениями приемной аппаратуры спутниковых радионавигационных систем ГЛОНАСС/GPS. В астро-инерциальном и астро-инерциально-спутниковом режимах основным является инерциальный режим, поскольку для множества потребителей на борту летательного аппарата (ЛА) информация о параметрах навигации и ориентации требуется автономно, вне зависимости от времени суток, погодных и сезонных условий с высокой частотой, не обеспечиваемой средствами спутниковой навигации и средствами астрокоррекции.Modern astroinertial systems have four modes: fully autonomous (inertial), astro-inertial, inertial-satellite and astro-inertial-satellite. The inertial-satellite mode consists in correcting the coordinates and speeds of aircraft by measuring the receiving equipment of the GLONASS / GPS satellite navigation systems. In astro-inertial and astro-inertial-satellite modes, the inertial mode is the main one, since for many consumers on board an aircraft (LA), information about navigation and orientation parameters is required autonomously, regardless of the time of day, weather and seasonal conditions with a high frequency, not provided by satellite navigation and astro correction tools.

Сигналы, получаемые на выходе гравиметров, содержат информацию как о величине ускорения силы тяжести, так и о величине ускорения движения ЛА. Для выделения сигналов ускорения силы тяжести вводят блок определения ускорения движения ЛА, выполненного, например, на основе радиовысотомеров. Сигналы ускорения силы тяжести получают путем совместной обработки показаний гравиметров и ускорений собственного движения ЛА в одноименных осях, получаемых после дифференцирования показаний радиовысотомеров. Выходы гравиметров и акселерометров в одноименных осях через сумматоры соединены с входами навигационного вычислителя БИНС и используются в блоках интегрирования для вычисления составляющих линейной скорости и координат ЛАThe signals received at the output of the gravimeters contain information about both the magnitude of the acceleration of gravity and the magnitude of the acceleration of the aircraft. To isolate the signals of acceleration of gravity, a unit for determining the acceleration of the aircraft’s movement, for example, based on radio altimeters, is introduced. Gravity acceleration signals are obtained by jointly processing the readings of gravimeters and the accelerations of the aircraft’s own motion in the axes of the same name, obtained after differentiating the readings of the radio altimeters. The outputs of gravimeters and accelerometers in the axes of the same name through adders are connected to the inputs of the SINS navigation computer and are used in integration units to calculate the components of the linear velocity and coordinates of the aircraft

Figure 00000002
Figure 00000002

Здесь a x, a y, a z - показания акселерометров БИНС, сориентированных в соответствии с осями системы координат Oxyz, Vx,Vy,Vz - абсолютные линейные скорости ЛА, получаемые из решения уравнений (2) в соответствующих блоках навигационного вычислителя ЛА, gx,gy,gz - компоненты вектора ускорения силы тяжести, поступающие от гравиметров на выходах гравиметров с учетом ускорений собственного движения ЛА. w a xw a yw a z - проекции вектора абсолютной угловой скорости на оси x, y, z.Here a x , a y , a z are the readings of the SINS accelerometers oriented in accordance with the axes of the coordinate system Oxyz, V x , V y , V z are the absolute linear speeds of the aircraft, obtained from the solution of equations (2) in the corresponding blocks of the navigation computer of the aircraft , g x , g y , g z - components of the gravity acceleration vector coming from gravimeters at the outputs of gravimeters taking into account the accelerations of the aircraft’s own motion. w a x w a y w a z - projections of the absolute angular velocity vector on the x, y, z axis.

При этом необходимо согласование осей местного горизонта, определяемой в БИНС, и блока гравиметров, которое осуществляют синхронно с помощью отдельной платформы, управляемой БИНС.In this case, it is necessary to coordinate the axes of the local horizon defined in the SINS and the block of gravimeters, which is carried out synchronously using a separate platform controlled by the SINS.

В астроинерциальном и астроинерциально-спутниковом режимах система работает следующим образом.In astroinertial and astroinertial-satellite modes, the system operates as follows.

Как показано в прототипе, в основе работы астроинерциальных систем лежит взаимосвязь между различными системами координат (СК), используемыми в работе астроинерциальных систем. К таким системам координат относятся:As shown in the prototype, the work of astroinertial systems is based on the relationship between various coordinate systems (SC) used in the work of astroinertial systems. Such coordinate systems include:

ECI - фундаментальная инерциальная СК эпохи J2000;ECI - the fundamental inertial SC of the J2000 era;

ECEF - геоцентрическая земная (гринвичская) СК;ECEF - geocentric terrestrial (Greenwich) SC;

ENU - топоцентрическая (местная географическая) СК;ENU - topocentric (local geographical) SC;

BIMU - приборная СК БИНС (правая прямоугольная СК, оси которой связаны со строительными осями БИНС);B IMU - instrument SC BINS (right rectangular SC, the axes of which are connected with the construction axes of the BINS);

Bst - приборная СК АВУ (правая прямоугольная СК, оси которой связаны с оптической осью и плоскостью ПЗС-матрицы АВУ).B st - instrumental SC of the AVU (right rectangular SK, the axes of which are connected with the optical axis and the plane of the CCD matrix of the AVU).

Взаимосвязь между перечисленными СК математически удобно представлять в виде простого матричного уравнения, задающего переход от ECI к BST:The relationship between the listed SCs is mathematically convenient to represent in the form of a simple matrix equation that defines the transition from ECI to B ST :

Figure 00000003
Figure 00000003

где

Figure 00000004
- матрица, характеризующая угловое положение BST относительно ECI;Where
Figure 00000004
- a matrix characterizing the angular position of B ST relative to ECI;

Figure 00000005
- матрица привязки BIMU к BST, определяемая и стабилизируемая блоком оптического сопряжения на этапе технологической юстировки АИНС;
Figure 00000005
- the matrix of the binding of B IMU to B ST , determined and stabilized by the optical interface unit at the stage of technological adjustment of AINS;

Figure 00000006
,
Figure 00000007
,
Figure 00000008
- матрицы переходов от ENU к BIMU, от ECEF к ENU и от ECI к ECEF соответственно.
Figure 00000006
,
Figure 00000007
,
Figure 00000008
- matrices of transitions from ENU to B IMU , from ECEF to ENU and from ECI to ECEF, respectively.

Матрицы

Figure 00000006
и
Figure 00000009
из состава уравнения (1) могут быть определены в следующем виде:Matrices
Figure 00000006
and
Figure 00000009
from the composition of equation (1) can be determined as follows:

Figure 00000010
Figure 00000010

Figure 00000011
Figure 00000011

гдеWhere

Figure 00000012
Figure 00000012

матрицы элементарных поворотов на углы крена γ, тангажа ϑ и курса ψ соответственно; Rpol - матрица, учитывающая смещение положения полюса Земли в эпоху t (в текущий момент времени); RS - матрица учета суточного вращения Земли; N, P - матрицы нутации и прецессии в эпоху t соответственно.matrices of elementary rotations at roll angles γ, pitch ϑ and course ψ, respectively; R pol is a matrix that takes into account the displacement of the position of the Earth’s pole in the epoch t (at the current time); R S - matrix of the Earth's daily rotation; N, P are the nutation and precession matrices in the epoch t, respectively.

С учетом (3) и (4) уравнение (2) можно представить в виде соотношенияIn view of (3) and (4), equation (2) can be represented as the relation

Figure 00000013
Figure 00000013

илиor

Figure 00000014
Figure 00000014

Основной информацией, поступающей от АВУ в БИНС, являются элементы матрицы ориентации

Figure 00000004
, а параметры матриц
Figure 00000005
, Rpol известны до начала работы АИНС. На основе представленных соотношений (3), (6) и (7) реализуются различные режимы (варианты) астрокоррекции БИНС, включаемые оператором вручную эпизодически при условии видимости небесных светил.The main information coming from the AVU to the SINS are the elements of the orientation matrix
Figure 00000004
, and the matrix parameters
Figure 00000005
, R pol known before the start of the AINS. Based on the presented relations (3), (6) and (7), various modes (options) of SINS astro correction are implemented, which are manually activated by the operator occasionally provided that the celestial bodies are visible.

Изобретение поясняется чертежом, где изображена астронавигационная система.The invention is illustrated in the drawing, which shows the astronautical system.

Астронавигационная система содержит БИНС 1 и АВУ 2 с вычислителем 3, определяющим угловые параметры визирования звезд, выход которого соединен с одним из входов навигационного вычислителя 4 БИНС.The astronavigation system contains SINS 1 and AVU 2 with a computer 3, which determines the angular parameters of sighting stars, the output of which is connected to one of the inputs of the navigation computer 4 SINS.

БИНС 1 включает в свой состав кварцевые акселерометры (не менее трех) 51, 52, 53, лазерные гироскопы (не менее трех) 61, 62, 63, блок питания 7, приемник 8 спутниковых радионавигационных сигналов системы ГЛОНАСС/GPS.BINS 1 includes in its composition quartz accelerometers (at least three) of 5 1, 5 2, 5 3, the laser gyroscopes (at least three) of 6 1, 6 2, 6 3, the power unit 7, the receiver 8 satellite navigation signal system GLONASS / GPS

Астронавигационная система также содержит блок гравиметров 91, 92, 93 (не менее трех), расположенных на отдельной платформе 10, управляемой посредством двигателя (на рисунке не показано), выполненной с возможностью синхронного перемещения с перемещением летательного аппарата и параллельно плоскости горизонта, блок 11 высотомеров для измерения вертикального ускорения ЛА, вычислитель 12 ускорения силы тяжести, при этом выходы гравиметров и выходы блока высотомеров соединены с входами вычислителя 12 ускорения силы тяжести, выходы которого через сумматоры 131, 132, 133 соединены с входами вычислителя 4 БИНС, при этом выходы акселерометров 51, 52, 53 соединены с входами сумматоров 131, 132, 133 соответственно.The astronautical system also contains a block of gravimeters 9 1 , 9 2 , 9 3 (at least three) located on a separate platform 10, controlled by an engine (not shown in the figure), made with the possibility of synchronous movement with the movement of the aircraft and parallel to the horizon plane, block 11 altimeters for measuring the vertical acceleration of the aircraft, the calculator 12 of the acceleration of gravity, while the outputs of the gravimeters and the outputs of the block of altimeters are connected to the inputs of the calculator 12 of the acceleration of gravity, the outputs of which are black Without the adders 13 1 , 13 2 , 13 3 connected to the inputs of the calculator 4 SINS, while the outputs of the accelerometers 5 1 , 5 2 , 5 3 are connected to the inputs of the adders 13 1 , 13 2 , 13 3, respectively.

Система работает следующим образом.The system operates as follows.

БИНС 1 обеспечивает определение навигационных параметров и параметров угловой ориентации, сопровождаемое с течением времени шулеровским накапливанием ошибок. С выхода БИНС на вход астровизирующего устройства 2 постоянно поступает априорная (нескорректированная) информация о пространственном положении оси АВУ и связанной с ней приборной системы координат АВУ в инерциальной системе координат.BINS 1 provides the determination of navigation parameters and parameters of angular orientation, accompanied by the accumulation of errors over time by Schuler. From the SINS output to the input of the astroizing device 2, a priori (unadjusted) information is constantly received about the spatial position of the axis of the AVU and the associated instrument coordinate system of the AVU in the inertial coordinate system.

В процессе обсервации звезд астровизирующим устройством изображения звезд проецируются на ПЗС-матрицу, являющуюся чувствительным элементом АВУ.In the process of observing stars with an astroizing device, images of stars are projected onto a CCD matrix, which is a sensitive element of the AVU.

Считывающее устройство АВУ считывает изображения звезд с ПЗС-матрицы, одновременно осуществляя фильтрацию, выделение звездоподобных образований, их селекцию по конфигурационным и энергетическим признакам.The AVU reader reads images of stars from a CCD matrix, simultaneously filtering, extracting star-like formations, and selecting them according to configuration and energy features.

АВУ осуществляет поиск и распознавание выделенных объектов (звезд) на основе сравнения текущего изображения звездного неба и звездного каталога, хранящегося в блоке электроники.AVU searches and recognizes selected objects (stars) based on a comparison of the current image of the starry sky and the star catalog stored in the electronics unit.

Навигационный вычислитель 3 АВУ вычисляет параметры ориентации оптической оси астровизирующего устройства с учетом эпохи наблюдения, нутации и прецессии, аберрации и рефракции атмосферы. На основе параметров ориентации оптической оси астровизирующего устройства формируется матрица

Figure 00000004
, которая передается в навигационный вычислитель 4 БИНС 1.Navigational computer 3 AVU calculates the orientation parameters of the optical axis of the astrovizing device taking into account the era of observation, nutation and precession, aberration and refraction of the atmosphere. Based on the orientation parameters of the optical axis of the astrovizing device, a matrix is formed
Figure 00000004
, which is transmitted to the navigation computer 4 BINS 1.

Имеется два режима (варианта) астрокоррекции:There are two modes (options) of astro correction:

1) режим компенсации погрешностей БИНС по определению углов пространственного положения - астроинерциальный спутниковый режим;1) SINS error compensation mode for determining spatial position angles - astroinertial satellite mode;

2) режим компенсации погрешностей БИНС по определению геодезических координат и угла рыскания - астроинерциальный режим.2) the mode of compensation of errors SINS to determine the geodetic coordinates and yaw angle - astroinertial mode.

Первый режим коррекции включается при наличии уверенного приема сигналов спутниковых навигационных систем ГЛОНАСС/GPS.The first correction mode is activated when there is reliable reception of signals from the GLONASS / GPS satellite navigation systems.

В случае отсутствия информации от приемника СНС 7 реализуется второй режим компенсации погрешностей БИНС 1 - компенсации погрешностей по определению геодезических координат и угла рыскания.In the absence of information from the SNA 7 receiver, the second mode of error compensation SINS 1 is implemented - compensation of errors by determining the geodetic coordinates and yaw angle.

Основным режимом работы рассматриваемой навигационной системы является инерциальный режим, который включен непрерывно на протяжении всего полета и функционирует вне зависимости от наличия условий для обсервации звезд и наличия приема сигналов от спутников в приемнике СНС. Режимы астрокоррекции и спутниковой коррекции являются дополнительными к инерциальному и включаются кратковременноThe main mode of operation of the navigation system in question is the inertial mode, which is switched on continuously throughout the flight and functions regardless of the presence of conditions for observing stars and the presence of receiving signals from satellites in the SNA receiver. The modes of astro correction and satellite correction are complementary to the inertial one and turn on for a short time.

В инерциальном режиме с выходов акселерометров 5 измерения поступают на сумматоры 13, туда же непрерывно поступают измерения гравиметров 9, предварительно обработанные в вычислителе 12 ускорения силы тяжести. Второй вход вычислителя 12 ускорения силы тяжести соединен с выходом блока 11 высотомеров. С выхода вычислителя 12 на входы сумматоров 13 соответствующих акселерометров поступают данные о составляющих ускорения силы тяжести gx, gy, gz. После интегрирования уравнений (2) в навигационном вычислителе БИНС 3 определяют линейные скорости и координаты, уточненные измерениями ускорения силы тяжести гравиметрами 9. В первом приближении выражения для вычисления координат могут иметь вид:In the inertial mode, from the outputs of the accelerometers 5, measurements are received at the adders 13, and the measurements of gravimeters 9, previously processed in the calculator 12 of gravity acceleration, are continuously received there. The second input of the calculator 12 of the acceleration of gravity is connected to the output of the block 11 of the altimeters. From the output of the calculator 12 to the inputs of the adders 13 of the corresponding accelerometers receive data on the components of the acceleration of gravity g x , g y , g z . After integration of equations (2) in the BINS 3 navigation computer, linear velocities and coordinates are determined, refined by gravity acceleration measurements by gravimeters 9. In a first approximation, the expressions for calculating the coordinates can be of the form:

Figure 00000015
Figure 00000015

Здесь r – радиус-вектор, проведенный из центра масс в точку местоположения ЛА, φ, λ - широта и долгота местоположения ЛА, wЗ - угловая скорость вращения Земли.Here r is the radius vector drawn from the center of mass to the point of location of the aircraft, φ, λ is the latitude and longitude of the location of the aircraft, w W is the angular velocity of rotation of the Earth.

Таким образом, в навигационной системе имеется три режима коррекции бесплатформенной инерциальной навигационной системы - спутниковая коррекция, астрокоррекция и астроспутниковая коррекция. При невозможности проведения коррекции осуществляется инерциальный режим навигации. При этом основной источник ошибок инерциального определения параметров навигации неопределенности гравитационного поля Земли устраняется за счет измерений фактических значений в реальном времени гравитационной составляющей силы тяжести гравиметрами.Thus, in the navigation system there are three correction modes for the strapdown inertial navigation system - satellite correction, astro correction and astro-satellite correction. If correction is not possible, an inertial navigation mode is performed. In this case, the main source of inertial errors in determining the navigation parameters of the uncertainty of the Earth's gravitational field is eliminated by measuring the actual values in real time of the gravitational component of gravity by gravimeters.

Claims (1)

Астронавигационная система, установленная на летательном аппарате, содержащая бесплатформенную инерциальную навигационную систему, включающую акселерометры, гироскопы, приемник спутниковой радионавигационной системы, навигационный вычислитель, астровизирующее устройство с вычислителем, определяющим угловые параметры визирования звезд и подключенным к навигационному вычислителю бесплатформенной инерциальной навигационной системы, при этом выходы приемника спутниковой радионавигационной системы и гироскопов соединены с входами навигационного вычислителя бесплатформенной инерциальной навигационной системы, отличающаяся тем, что в систему введены гравиметры, блок высотомеров для измерения вертикального ускорения летательного аппарата, вычислитель ускорения силы тяжести и сумматоры, при этом гравиметры установлены на отдельной платформе, выполненной с возможностью синхронного перемещения с перемещением летательного аппарата и параллельно плоскости горизонта, причем выходы гравиметров и блока высотомеров для измерения вертикального ускорения летательного аппарата соединены с входами вычислителя ускорения силы тяжести, выходы которого подключены через сумматоры к навигационному вычислителю бесплатформенной инерциальной навигационной системы, при этом выходы акселерометров подсоединены к вторым входам сумматоров.An astronautical system installed on an aircraft containing a strapdown inertial navigation system including accelerometers, gyroscopes, a satellite radio navigation system receiver, a navigation calculator, an astroizing device with a calculator that determines the angular parameters of star sighting and connected to the navigation calculator of the first-form navigation informer the receiver of the satellite radio navigation system and gyroscopes are connected to the inputs and a navigation computer of the strapdown inertial navigation system, characterized in that gravimeters, a block of altimeters for measuring the vertical acceleration of the aircraft, a gravity acceleration calculator and adders are introduced into the system, while the gravimeters are mounted on a separate platform that can synchronously move with the aircraft moving and parallel to the horizon plane, and the outputs of the gravimeters and the altimeter unit for measuring the vertical acceleration of the aircraft of the second apparatus are connected to the inputs of the gravity acceleration calculator, the outputs of which are connected via adders to the navigation computer of the strapdown inertial navigation system, while the outputs of the accelerometers are connected to the second inputs of the adders.
RU2014153236A 2014-12-26 2014-12-26 Astronomical navigation system RU2607197C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014153236A RU2607197C2 (en) 2014-12-26 2014-12-26 Astronomical navigation system

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014153236A RU2607197C2 (en) 2014-12-26 2014-12-26 Astronomical navigation system

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2014153236A RU2014153236A (en) 2016-07-20
RU2607197C2 true RU2607197C2 (en) 2017-01-10

Family

ID=56413247

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2014153236A RU2607197C2 (en) 2014-12-26 2014-12-26 Astronomical navigation system

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2607197C2 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114509066A (en) * 2022-01-29 2022-05-17 中国科学院光电技术研究所 High-speed target astronomical positioning method
RU2794558C1 (en) * 2022-05-30 2023-04-21 Акционерное общество Научно-производственное предприятие "Авиационная и Морская Электроника" (АО НПП "АМЭ") Device for measuring the height of celestial bodies

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2378616C1 (en) * 2008-07-03 2010-01-10 Открытое акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" Celestial guidance system
US20120136573A1 (en) * 2010-11-25 2012-05-31 Texas Instruments Incorporated Attitude estimation for pedestrian navigation using low cost mems accelerometer in mobile applications, and processing methods, apparatus and systems
RU141801U1 (en) * 2013-12-13 2014-06-10 Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственный комплекс "Электрооптика" (ООО "НПК "Электрооптика") ASTROINERCIAL NAVIGATION SYSTEM

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2378616C1 (en) * 2008-07-03 2010-01-10 Открытое акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" Celestial guidance system
US20120136573A1 (en) * 2010-11-25 2012-05-31 Texas Instruments Incorporated Attitude estimation for pedestrian navigation using low cost mems accelerometer in mobile applications, and processing methods, apparatus and systems
RU141801U1 (en) * 2013-12-13 2014-06-10 Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственный комплекс "Электрооптика" (ООО "НПК "Электрооптика") ASTROINERCIAL NAVIGATION SYSTEM

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Г.КВАЗИУС, Ф.МАККЭНЛЕСС. Проектирование систем астронавигации. - М.: Мир, 1970, с.127-133. *
Г.КВАЗИУС, Ф.МАККЭНЛЕСС. Проектирование систем астронавигации. - М.: Мир, 1970, с.127-133. О.Н.АНУЧИН, И.Э.КОМАРОВА, Л.Ф.ПОРФИРЬЕВ. Бортовые системы навигации и ориентации искусственных спутников Земли. - СПб.: ГНЦ РФ ЦНИИ "Электроприбор", 2004, с.238-245. *
О.Н.АНУЧИН, И.Э.КОМАРОВА, Л.Ф.ПОРФИРЬЕВ. Бортовые системы навигации и ориентации искусственных спутников Земли. - СПб.: ГНЦ РФ ЦНИИ "Электроприбор", 2004, с.238-245. *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114509066A (en) * 2022-01-29 2022-05-17 中国科学院光电技术研究所 High-speed target astronomical positioning method
CN114509066B (en) * 2022-01-29 2023-12-22 中国科学院光电技术研究所 High-speed target astronomical positioning method
RU2794558C1 (en) * 2022-05-30 2023-04-21 Акционерное общество Научно-производственное предприятие "Авиационная и Морская Электроника" (АО НПП "АМЭ") Device for measuring the height of celestial bodies

Also Published As

Publication number Publication date
RU2014153236A (en) 2016-07-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2592715C1 (en) Astronomical navigation system
Gade The seven ways to find heading
US9593963B2 (en) Method and a device for determining navigation parameters of an aircraft during a landing phase
US20090326816A1 (en) Attitude correction apparatus and method for inertial navigation system using camera-type solar sensor
RU2669481C1 (en) Method and device for controlling motion of a spacecraft with controlled orientation
Rad et al. Optimal attitude and position determination by integration of INS, star tracker, and horizon sensor
RU141801U1 (en) ASTROINERCIAL NAVIGATION SYSTEM
CN110736457A (en) combination navigation method based on Beidou, GPS and SINS
CN115343743A (en) Astronomical satellite integrated navigation positioning system and method independent of horizontal reference and satellite signal
Kumar Integration of inertial navigation system and global positioning system using kalman filtering
CN102607563B (en) System for performing relative navigation on spacecraft based on background astronomical information
RU2749194C1 (en) Method for remote determination of the coordinates of the location of a ground (above-water) object
RU2607197C2 (en) Astronomical navigation system
Li et al. Airborne position and orientation system for aerial remote sensing
RU2566379C1 (en) Method for determining value of atmospheric refraction under conditions of space flight
Emel’yantsev et al. Use of maneuvering to improve the accuracy of ship autonomous SINS
US2961191A (en) Automatic one-star navigational directors
Xu et al. Autonomous navigation using natural landmark measurements for earth orbit satellites
Kaplan New technology for celestial navigation
Avanesov et al. Autonomous strapdown stellar-inertial navigation systems: Design principles, operating modes and operational experience
Raković et al. UAV Positioning and Navigation-Review
Amert et al. Hardware Demonstration and Improvements of the Stellar Positioning System
Sollie Estimation of uav position, velocity and attitude using tightly coupled integration of imu and a dual gnss receiver setup
RU118738U1 (en) INTEGRATED FREE PLATFORM INERTIAL OPTICAL SYSTEM FOR SPACE AIRCRAFT
Emel’yantsev et al. Calibration of in-run drifts of strapdown inertial navigation system with uniaxial modulation rotation of measurement unit