RU2018107795A - Система определения курса и углового пространственного положения, выполненная с возможностью функционирования в полярной области - Google Patents

Claims (73)

1. Система определения курса и углового пространственного положения (AHRS) транспортного средства, содержащая:

блок инерциальных датчиков (IMU), установленный на борту транспортного средства и выполненный с возможностью генерирования результатов инерциальных измерений, включающих в себя измерения угловой скорости и ускорения во время эксплуатации транспортного средства;

источник информации о курсе, установленный на борту транспортного средства и выполненный с возможностью генерирования результатов измерений курса во время эксплуатации транспортного средства;

фильтр определения углового пространственного положения, установленный на борту транспортного средства и функционально связанный с блоком IMU; и

фильтр курса, установленный на борту транспортного средства и функционально связанный с источником информации о курсе;

при этом фильтр определения углового пространственного положения выполнен с возможностью:

приема результатов инерциальных измерений из блока IMU;

вычисления оценки углового пространственного положения, содержащей расчетные показатели углового пространственного положения и ковариации расчетных показателей углового пространственного положения, исходя из результатов инерциальных измерений; при этом оценка углового пространственного положения не зависит от географической широты нахождения транспортного средства, и основывается на параметризации погрешностей между плавающей платформенной системой координат транспортного средства, без учета поправки на погрешности гиродатчика, и связанной системой координат; при этом скорость вращения Земли и скорость перемещения транспортного средства рассчитываются в платформенной системе координат, избегая полярной особенности; и

выдачи оценки углового пространственного положения, содержащей расчетные показатели углового пространственного положения и ковариации расчетных показателей углового пространственного положения;

при этом фильтр курса выполнен с возможностью:

приема результатов измерений курса, по мере их поступления, из источника информации о курсе;

получения оценки углового пространственного положения, содержащей расчетные показатели углового пространственного положения и ковариации расчетных показателей углового пространственного положения, из фильтра определения углового пространственного положения;

вычисления оценки курса, содержащей среднее расчетное значение курса и величину отклонения от курса, исходя из результатов измерений курса и оценки углового пространственного положения; и

выдачи оценки курса, содержащей среднее расчетное значение курса и величину отклонения от курса, по мере поступления результатов измерений курса;

при этом выдача оценки углового пространственного положения из фильтра определения углового пространственного положения не зависит от наличия результатов измерений курса, благодаря чему оценку углового пространственного положения можно получить в любой области Земли при эксплуатации транспортного средства.

2. Система AHRS по п. 1, в которой транспортное средство содержит летательный аппарат, вертолет, управляемую ракету, космический аппарат, неуправляемую ракету, судно, подводную лодку, легковой автомобиль или грузовик.

3. Система AHRS по п. 1, в которой:

блок IMU содержит трёхосный акселерометр и трехосный гироскоп; а

источник информации о курсе представляет собой магнитометр.

4. Система AHRS по п. 1, в которой имеются выходные данные для оценки углового пространственного положения транспортного средства, эксплуатируемого в какой-либо полярной области Земли.

5. Система AHRS по п. 1, в которой фильтр определения углового пространственного положения содержит модель расчета скорости вращения Земли и модель расчета скорости перемещения транспортного средства.

6. Система AHRS по п. 5, в которой фильтр определения углового пространственного положения дополнительно содержит модель погрешности вследствие изменения силы тяжести.

7. Система AHRS по п. 6, в которой модель погрешности вследствие изменения силы тяжести включает в себя процесс Гаусса – Маркова первого порядка (GM-1), определяемый следующим образом:

,

где

обозначает постоянную времени процесса GM-1;

обозначает погрешность оценки вариаций силы тяжести; а

обозначает шумовые помехи, возбуждающие процесс GM-1.

8. Система AHRS по п. 1, в которой расчетные показатели углового пространственного положения включают в себя расчетные оценки крена и тангажа транспортного средства;

при этом модель процесса в фильтре определения углового пространственного положения определяется следующим выражением:

,

где

обозначает погрешность углового пространственного положения в связанной системе координат транспортного средства;

обозначает погрешность вследствие смещения гироскопа;

обозначает постоянную времени процесса Гаусса – Маркова первого порядка (GM-1), используемого для моделирования смещения гироскопа;

обозначает шумовые помехи, возбуждающие процесс GM-1, используемый для моделирования смещения гироскопа;

обозначает погрешность вследствие ускорения транспортного средства;

обозначает постоянную времени процесса GM-1, используемого для моделирования ускорения транспортного средства;

обозначает шумовые помехи, возбуждающие процесс GM-1, используемый для моделирования ускорения транспортного средства;

обозначает погрешность по скорости вращения Земли в платформенной системе координат (P-системе координат);

обозначает постоянную времени процесса GM-1, используемого для моделирования скорости вращения Земли;

обозначает шумовые помехи, возбуждающие процесс GM-1, используемый для моделирования скорости вращения Земли;

обозначает погрешность по скорости перемещения транспортного средства в P-системе координат;

обозначает постоянную времени процесса GM-1, используемого для моделирования скорости перемещения транспортного средства;

обозначает шумовые помехи, возбуждающие процесс GM-1, используемый для моделирования скорости перемещения транспортного средства;

обозначает погрешность вследствие смещения акселерометра;

обозначает постоянную времени процесса GM-1, используемого для моделирования смещения акселерометра;

обозначает шумовые помехи, возбуждающие процесс GM-1, используемый для моделирования смещения акселерометра;

обозначает погрешность вследствие изменения силы тяжести от экватора к полюсам;

постоянную времени процесса GM-1, используемого для моделирования изменения силы тяжести от экватора к полюсам; а

обозначает шумовые помехи, возбуждающие процесс GM-1, используемый для моделирования изменения силы тяжести от экватора к полюсам;

при этом модель измерения для фильтра определения углового пространственного положения описывается следующим выражением:

где

обозначает погрешность измерения удельной силы;

обозначает матрицу направляющих косинусов, преобразующую вектор из P-системы координат в связанную систему координат;

обозначает вектор ускорения свободного падения, выраженный в P-системе координат;

обозначает расчетную вариацию силы тяжести;

обозначает шум в измерениях удельной силы; а

обозначает шум в измерениях гравитационной модели.

9. Система AHRS по п. 8, в которой расчетная оценка среднего значения курса, полученная из фильтра курса, включает в себя расчетную оценку рыскания транспортного средства;

при этом модель процесса для фильтра курса описывается следующим выражением:

, где

и

обозначают, соответственно, расчетные углы крена и тангажа, полученные из фильтра определения углового пространственного положения;

обозначает погрешность вследствие смещения гироскопа вдоль поперечной оси;

обозначает постоянную времени процесса (GM-1), используемого для моделирования погрешности вследствие смещения гироскопа вдоль поперечной оси;

обозначает шумовые помехи, возбуждающие процесс GM-1, используемый для моделирования погрешности вследствие смещения гироскопа вдоль поперечной оси;

обозначает погрешность вследствие смещения гироскопа по вертикальной оси;

обозначает постоянную времени процесса (GM-1), используемого для моделирования погрешности вследствие смещения гироскопа по вертикальной оси;

обозначает шумовые помехи, возбуждающие процесс GM-1, используемый для моделирования погрешности вследствие смещения гироскопа по вертикальной оси;

обозначает погрешность по угловой скорости навигационной системы координат (N-системы координат) транспортного средства по оси Z;

обозначает постоянную времени процесса (GM-1), используемого для моделирования угловой скорости N-системы координат транспортного средства по оси Z;

обозначает шумовые помехи, возбуждающие процесс GM-1, используемый для моделирования угловой скорости N-системы координат по оси Z;

и

обозначают белые шумы по горизонтали для моделей расчета скорости вращения Земли и расчета скорости перемещения транспортного средства, которые выражены в N-системе координат; а установившаяся вариация шума величины

определяется следующим уравнением:

,

где

обозначает взаимную ковариационную матрицу углов крена и тангажа, полученную из фильтра определения углового пространственного положения;

обозначает взаимную ковариационную матрицу белого шума гироскопа по осям Y и Z; а

измеряется в точке

и определяется следующим образом:

,

при этом модель измерения для фильтра курса описывается следующим уравнением:

,

где

обозначает погрешность курса;

обозначает шум при измерении курса, а

обозначает погрешность при измерении курса.

10. Способ управления системой определения курса и углового пространственного положения (AHRS) для обеспечения навигации транспортного средства; при этом указанный способ включает в себя:

получение результатов инерциальных измерений из блока инерциальных датчиков (IMU), расположенного на борту транспортного средства во время его движения;

ввод результатов инерциальных измерений в фильтр определения углового пространственного положения, расположенный на борту транспортного средства;

вычисление, в фильтре определения углового пространственного положения, оценки углового пространственного положения, содержащей расчетные показатели углового пространственного положения и ковариации углового пространственного положения, исходя из результатов инерциальных измерений;

получение результатов измерений курса, по мере их поступления, из источника информации о курсе, расположенного на борту транспортного средства;

ввод результатов измерений курса в фильтр курса, расположенный на борту транспортного средства;

передачу оценки углового пространственного положения, содержащей расчетные показатели углового пространственного положения и ковариации углового пространственного положения, из фильтра определения углового пространственного положения в фильтр курса;

вычисление в фильтре курса оценки курса, содержащей среднее расчетное значение курса и величину отклонения от курса, исходя из результатов измерений курса и оценки углового пространственного положения;

выдачу фильтром курса оценки курса, содержащей среднее расчетное значение курса и величину отклонения от курса, по мере поступления результатов измерений курса, для использования этой оценки в обеспечении навигации транспортного средства; и

выдачу оценки углового пространственного положения фильтром определения углового пространственного положения вне зависимости от наличия результатов измерений курса, благодаря чему оценку углового пространственного положения можно получить в любой области Земли для использования этой оценки в обеспечении навигации транспортного средства.

11. Способ по п. 10, в котором транспортное средство содержит летательный аппарат, вертолет, управляемую ракету, космический аппарат, неуправляемую ракету, судно, подводную лодку, легковой автомобиль или грузовик.

12. Способ по п. 10, в котором результаты оценки углового пространственного положения доступны при эксплуатации транспортного средства в полярной области Земли.

13. Способ по п. 10, в котором оценки углового пространственного положения включают в себя расчетные показатели крена и тангажа транспортного средства.

14. Способ по п. 13, в котором среднее расчетное значение курса включает в себя расчетную оценку рыскания транспортного средства.

15. Способ по п. 10, в котором фильтр определения углового пространственного положения содержит модель расчета скорости вращения Земли и модель расчета скорости перемещения транспортного средства.

16. Способ по п. 15, в котором фильтр определения углового пространственного положения дополнительно содержит модель погрешности вследствие изменения силы тяжести.

17. Способ по п. 16, в котором модель погрешности вследствие изменения силы тяжести включает в себя процесс Гаусса – Маркова первого порядка (GM-1), определяемый следующим образом:

,

где

обозначает постоянную времени процесса GM-1;

обозначает погрешность вследствие изменения силы тяжести; а

обозначает шумовые помехи, возбуждающие процесс GM-1.

18. Компьютерный программный продукт, содержащий:

энергонезависимый машиночитаемый носитель данных с хранящимися на нем командами, исполняемыми процессором для реализации способа управления системой AHRS с целью обеспечения навигации транспортного средства; при этом указанный способ включает в себя:

получение результатов инерциальных измерений из блока инерциальных датчиков (IMU), расположенного на борту транспортного средства, во время его движения;

ввод результатов инерциальных измерений в фильтр определения углового пространственного положения, расположенный на борту транспортного средства;

вычисление, в фильтре определения углового пространственного положения, оценки углового пространственного положения, содержащей расчетные показатели углового пространственного положения и ковариации углового пространственного положения, исходя из результатов инерциальных измерений;

получение результатов измерений курса, по мере их поступления, из источника информации о курсе, расположенного на борту транспортного средства;

ввод результатов измерений курса в фильтр курса, расположенный на борту транспортного средства;

передачу оценки углового пространственного положения, содержащей расчетные показатели углового пространственного положения и ковариации углового пространственного положения, из фильтра определения углового пространственного положения в фильтр курса;

вычисление в фильтре курса оценки курса, содержащей среднее расчетное значение курса и величину отклонения от курса, исходя из результатов измерений курса и оценки углового пространственного положения;

выдачу фильтром курса оценки курса, содержащей среднее расчетное значение курса и величину отклонения от курса, по мере поступления результатов измерений курса, для использования этой оценки в обеспечении навигации транспортного средства; и

выдачу оценки углового пространственного положения фильтром определения углового пространственного положения вне зависимости от наличия результатов измерений курса, благодаря чему оценку углового пространственного положения можно получить в любой области Земли для использования этой оценки в обеспечении навигации транспортного средства.