RU2107897C1

RU2107897C1 - Method of inertia navigation

Info

Publication number: RU2107897C1
Application number: RU95105180A
Authority: RU
Inventors: С.М. Якушин
Original assignee: Пермский государственный технический университет
Priority date: 1995-04-10
Filing date: 1995-04-10
Publication date: 1998-03-27
Also published as: RU95105180A

Abstract

FIELD: navigation. SUBSTANCE: method includes measurement of signals coming from accelerometers and formation of reading coordinate system. Then output parameters of navigational system are calculated by standard model. Corresponding accelerometer input signals are calculated for standard model in which reading coordinate system is turned through fixed angles relative to coordinate system of navigational system. Signals from navigational system accelerometers are reprojected on coordinate system of standard model turned through fixed angles. Angular drift of reading coordinate system of navigational system is determined by means of calculated signals, and angular position of the system is corrected. EFFECT: higher reliability of determination.

Description

Изобретение относится к области инерциальной навигации, в частности к способам определения текущих значений координат движущегося объекта. The invention relates to the field of inertial navigation, in particular to methods for determining the current coordinates of a moving object.

Известен способ инерциальной навигации, заключающийся в том, что значения координат определяют путем решения кинематических уравнений по данным, полученным от трех акселерометров, измерительные оси которых неподвижны в инерциальном пространстве, при этом горизонтальные составляющие вектора абсолютного ускорения вычисляют вместе с вычислением текущих значений координат объекта [1]. There is a method of inertial navigation, which consists in the fact that the coordinate values are determined by solving kinematic equations from data obtained from three accelerometers, the measuring axes of which are stationary in inertial space, while the horizontal components of the absolute acceleration vector are calculated together with the calculation of the current values of the coordinates of the object [1 ].

Известен способ инерциальной навигации, заключающийся в измерении сигналов с трех акселерометров, установленных на гиростабилизированной платформе, располагающейся в плоскости горизонта и физически моделирующей отсчетную систему координат, определении координат путем решения системы дифференциальных уравнений, описывающих эталонную математическую модель работы навигационной системы (например, полуаналитическая инерциальная навигационная система с географической ориентацией осей) (см. [2], с. 61-65). There is a method of inertial navigation, which consists in measuring signals from three accelerometers mounted on a gyro-stabilized platform located in the horizontal plane and physically simulating a reference coordinate system, determining coordinates by solving a system of differential equations describing a reference mathematical model of the navigation system (for example, semi-analytical inertial navigation system with the geographic orientation of the axes) (see [2], pp. 61-65).

Известен способ инерциальной навигации, заключающийся в измерении сигналов с акселерометров, установленных на корпусе подвижного объекта, при котором роль гиростабилизированной платформы выполняет вычислительное устройство (бесплатформенные инерциальные навигационные системы) (см. [2], с. 84). There is a method of inertial navigation, which consists in measuring signals from accelerometers mounted on the body of a moving object, in which the role of the gyro-stabilized platform is played by a computing device (strapdown inertial navigation systems) (see [2], p. 84).

Известен способ коррекции ошибок инерциальных навигационных систем, заключающийся в том, что гироскопическая стабилизированная инерциальная система навигации содержит вычислительную машину, в которой формируются выходные навигационные сигналы. Кроме того, вычислительная машина описывает дифференциальными уравнениями смещенную навигационную систему, учитывающую действие поданных сигналов коррекции. По полученным выходным сигналам, а также по эталонным данным положения объекта определяются необходимые сигналы коррекции. Таким способом определяется скорость ухода гироскопа [3]. A known method of error correction of inertial navigation systems, which consists in the fact that the gyroscopic stabilized inertial navigation system contains a computer in which output navigation signals are generated. In addition, the computer describes differential equations of the shifted navigation system, taking into account the effect of the applied correction signals. Based on the received output signals, as well as reference data on the position of the object, the necessary correction signals are determined. In this way, the gyroscope departure rate is determined [3].

Признаки прототипа, являющиеся общими с заявляемым изобретение, включает измерение сигналов с акселерометров, формирование отсчетной системы координат, вычисление выходных навигационных параметров системы. Signs of the prototype, which are common with the claimed invention, includes the measurement of signals from accelerometers, the formation of a reference coordinate system, the calculation of the output navigation parameters of the system.

Причина, препятствующая получению в прототипе требуемого технического результата, заключается в наличии ошибок чувствительных элементов (например, гироскопов, акселерометров) и/или ошибок в угловой стабилизации платформы, необходимости иметь эталонные данные о положении объекта на маршруте его движения. Наличие данных источников ошибок, а также недоступность эталонных данных о положении объекта (например, между пунктами коррекции) будут приводить к угловому дрейфу отсчетной системы координат. В свою очередь угловой дрейф отсчетной системы координат приводит к появлению ошибок в измерительных сигналах акселерометров. The reason that prevents obtaining the required technical result in the prototype is the presence of errors of sensitive elements (for example, gyroscopes, accelerometers) and / or errors in the angular stabilization of the platform, the need to have reference data on the position of the object along its route of movement. The presence of these error sources, as well as the unavailability of the reference data on the position of the object (for example, between correction points) will lead to the angular drift of the reference coordinate system. In turn, the angular drift of the reference coordinate system leads to errors in the measuring signals of the accelerometers.

Изобретение направлено на повышении точности инерциальной навигации, особенно в автономном режиме ее работы, т.е. без привлечения дополнительной внешности информации о движении объекта или эталонных данных о его местоположении. The invention is aimed at improving the accuracy of inertial navigation, especially in its offline mode, i.e. without involving additional appearance of information about the movement of the object or reference data on its location.

Технический результат заключается в определении углового дрейфа отсчетной системы координат навигационной системы. The technical result consists in determining the angular drift of the reference coordinate system of the navigation system.

По предлагаемому способу инерциальной навигации навигационная система работает по эталонной модели. Кроме того, вычисляют выходные параметры навигационной системы по эталонной модели, вычисляют соответствующие им входные сигналы с акселерометров для эталонной модели, в которой разворачивают отсчетную систему координат на фиксированные углы относительно отсчетной системы координат навигационной системы, вычисляют сигналы с акселерометров, получаемые путем перепроектирования сигналов с акселерометров, получаемые путем перепроектирования сигналов с акселерометров навигационной системы на развернутую на те же фиксированные углы систему координат эталонной модели, затем по значениям вычислительных сигналов с акселерометров для эталонной модели и сигналов с акселерометров, полученных путем перепроектирования, определяют угловой дрейф отсчетной системы координат навигационной системы и осуществляют коррекцию углового положения отсчетной системы координат навигационной системы. According to the proposed method of inertial navigation, the navigation system works according to the reference model. In addition, the output parameters of the navigation system are calculated according to the reference model, the corresponding input signals from the accelerometers are calculated for the reference model, in which the reference coordinate system is rotated at fixed angles relative to the reference coordinate system of the navigation system, the signals from the accelerometers obtained by redesigning the signals from the accelerometers are calculated obtained by redesigning the signals from the accelerometers of the navigation system to deployed at the same fixed angles with coordinate system of the reference model, then the angular drift of the reference coordinate system of the navigation system is determined from the values of the computing signals from the accelerometers for the reference model and signals from the accelerometers obtained by redesigning, and the angular position of the reference coordinate system of the navigation system is corrected.

Вычислительные сигналы с акселерометров, полученные в результате использования выходных ее отсчетной системы координат, определяются в общем случае в ситуации, когда имеется дрейф отсчетной системы координат навигационной системы. Computational signals from accelerometers obtained as a result of using the outputs of its reference coordinate system are generally determined in a situation where there is a drift of the reference coordinate system of the navigation system.

В этом случае оказывается возможным:
1) определить реакцию навигационной системы (в виде изменения сигналов с акселерометров) на фиксированный разворот ее отсчетной системы координат, в общем случае имеющей дрейф;
2) определить аналогичную реакцию, не связанную с аглоритмом работы навигационной системы (а следовательно, и с ее выходными параметрами, имеющими ошибки), а также с неизвестным дрейфом отсчетной системы координат навигационной системы, путем перепроектирования измеряемых сигналов с акселерометров на оси системы координат, развернутой на те же, что в п.1, фиксированные углы в пространстве.In this case, it is possible:
1) determine the response of the navigation system (in the form of changes in signals from accelerometers) to a fixed turn of its reference coordinate system, in the general case, having a drift;
2) to determine a similar reaction that is not associated with the agglomeration of the navigation system (and therefore with its output parameters that have errors), as well as with the unknown drift of the reference coordinate system of the navigation system, by redesigning the measured signals from the accelerometers on the axis of the coordinate system deployed on the same as in claim 1, fixed angles in space.

Очевидно, что эти две реакции будут идентичными только в том случае, если навигационная система не имеет ошибок и отсчетная система координат навигационной системы не имеет дрейфа. Наличие же рассогласования в этих реакциях будет свидетельствовать о наличии ошибок в системе. Поскольку ошибки в выходных координатах всегда приводят к дрейфу отсчетной системы координат навигационной системы, то путем определения вышеуказанных рассогласований можно привести их к угловому дрейфу отсчетной системы координат. Obviously, these two reactions will be identical only if the navigation system has no errors and the reference coordinate system of the navigation system does not drift. The presence of a mismatch in these reactions will indicate the presence of errors in the system. Since errors in the output coordinates always lead to a drift of the reference coordinate system of the navigation system, by determining the above mismatches, they can lead to the angular drift of the reference coordinate system.

Тогда, полагая, что существует угловой дрейф отсчетной системы координат навигационной системы, и соотнося сигналы с акселерометров для эталонной модели (вектор A1), в которой отсчетная система координат развернута на фиксированные углы, с расчетными величинами (вектор A2), получаемыми путем перепроектирования сигналов с акселерометров навигационной системы на развернутую на те же фиксированные углы систему координат эталонной модели, вычисляют угловой дрейф отсчетной системы координат навигационной системы. Then, assuming that there is an angular drift of the reference coordinate system of the navigation system, and correlating the signals from the accelerometers for the reference model (vector A1), in which the reference coordinate system is rotated at fixed angles, with the calculated values (vector A2) obtained by redesigning the signals with accelerometers of the navigation system to the coordinate system of the reference model deployed at the same fixed angles, calculate the angular drift of the reference coordinate system of the navigation system.

Вычисление углового дрейфа отсчетной системы координат, например в виде матрицы направляющих косинусов (M), может производиться следующим образом. Связывая два вычисленных вектора сигналов с акселерометров уравнением A1= M•A2 и определяя псевдообратную матрицу для A2 (A2+) согласно [4]
-1 (A2) = ((A2*)•A2)•(A2*),
где
((A2*) - матрица, сопряженная к A2, получим выражение для вычисления матрицы направляющих косинусов: M = A1•(A2+), которое может быть реализовано с помощью вычислительного устройства.The calculation of the angular drift of the reference coordinate system, for example, in the form of a matrix of guide cosines (M), can be performed as follows. Linking the two calculated signal vectors from the accelerometers with the equation A1 = M • A2 and determining the pseudoinverse matrix for A2 (A2 +) according to [4]
-1 (A2) = ((A2 *) • A2) • (A2 *),
Where
((A2 *) is the matrix conjugate to A2, we obtain the expression for calculating the matrix of guide cosines: M = A1 • (A2 +), which can be implemented using a computing device.

В качестве примера реализации предлагаемого способа инерциальной навигации может служить, в частности, описываемая ниже схема построения навигационной системы полуаналитического типа и географической ориентацией отсчетной системы координат. Способ реализации данной навигационной системы заключается в вычислении навигационных параметров путем обработки измерительной информации с акселерометров в соответствии со структурной схемой полуаналитической инерциальной навигационной системы, приведенной в [2] на с.65. As an example of the implementation of the proposed method of inertial navigation can serve, in particular, the construction scheme of a semi-analytical type navigation system described below and the geographical orientation of the reference coordinate system described below. The way to implement this navigation system is to calculate the navigation parameters by processing the measurement information from the accelerometers in accordance with the structural diagram of the semi-analytical inertial navigation system given in [2] on p.65.

С помощью вычислителя рассчитываются значения для вычисляемых сигналов с акселерометров для эталонной модели, например, по выражениям (1.54), приведенным в [2] на с.49, с учетом фиксированного разворота отсчетной системы координат эталонной модели. Формирование правых частей выражений осуществляется путем использования выходных параметров эталонной модели. Далее по значениям этих вычисленных сигналов с акселерометров и сигналов с акселерометров, получаемых с помощью вычислительного устройства путем перепроектирования сигналов с акселерометров навигационной системы на развернутую на те же фиксированные углы систему координат эталонной модели, вычисляют угловой дрейф отсчетной системы координат навигационной системы на основе вышеописанных математических действий. Операция перепроектирования сигналов с акселерометров может производиться с помощью стандартного устройства - преобразователя координат, реализуемого обычно на синусо-косинусных вращающихся трансформаторах (см. [2] , с. 42, 16 строка сверху, [5], с.394, рис. 9.12, поз. 3 и с. 398, 2 абзац сверху). Using the calculator, the values for the calculated signals from the accelerometers for the reference model are calculated, for example, using the expressions (1.54) given in [2] on p. 49, taking into account the fixed turn of the reference coordinate system of the reference model. The formation of the right parts of the expressions is carried out by using the output parameters of the reference model. Further, according to the values of these calculated signals from the accelerometers and signals from the accelerometers obtained by means of a computing device by re-designing the signals from the accelerometers of the navigation system to the coordinate system of the reference model deployed at the same fixed angles, the angular drift of the reference coordinate system of the navigation system is calculated based on the above mathematical operations . The operation of redesigning signals from accelerometers can be carried out using a standard device - a coordinate converter, usually implemented on sinuso-cosine rotating transformers (see [2], p. 42, p. 16, line above, [5], p. 394, Fig. 9.12, Pos. 3 and p. 398, 2 paragraph above).

Вычисленный угловой дрейф отсчетной системы координат навигационной системы в виде матрицы направляющих косинусов поступает для отработки на вход системы коррекции углового положения отсчетной системы координат, например, на датчик моментов гидроскопов, расположенных на гиростабилизированной платформе. В случае использования бесплатформенной инерциальной навигационной системы коррекция осуществляется с помощью вычислительного устройство навигационной системы. The calculated angular drift of the reference coordinate system of the navigation system in the form of a matrix of guide cosines is fed to the input of the system for correcting the angular position of the reference coordinate system, for example, to the moment sensor of hydroscopes located on a gyro-stabilized platform. In the case of using a strapdown inertial navigation system, correction is performed using the computing device of the navigation system.

Список использованных источников. List of sources used.

1. Авторское свидетельство 182347, МКИ G 01 C 21/16, 25.05.66 г. 1. Copyright certificate 182347, MKI G 01 C 21/16, 05.25.66

2. Инерциальные навигационные системы морских объектов/Д.П.Лукьянов, А. В.Мочалов, А.А.Одинцов, И.Б.Вайсгант. -Л.: Судостроение, 1989. 183 с. 2. Inertial navigation systems of marine objects / DP Lukyanov, A. V. Mochalov, A. A. Odintsov, I. B. Vaysgant. -L .: Shipbuilding, 1989.183 s.

3. Патент Великобритании /GB/ N 1118663, МПК⁶ G 01 C 21/16, 1966 (прототип).3. UK patent / GB / N 1118663, IPC ⁶ G 01 C 21/16, 1966 (prototype).

4. Воеводин В.В., Кузнецов Ю.А. Матрицы и вычисления. М.:Наука, главная редакция физико-математической литературы, 1984, с. 46-47. 4. Voevodin VV, Kuznetsov Yu.A. Matrices and calculations. M.: Science, the main edition of the physical and mathematical literature, 1984, p. 46-47.

5. Теория и конструкция гироскопических приборов и систем. И.В.Одинцова, Г.Д.Блюмин, А.В.Карпухин и др. Под общ. ред. Г.Д. Блюмина. М.: Высшая школа, 1971. 598 с. 5. Theory and design of gyroscopic devices and systems. I.V. Odintsova, G.D. Blyumin, A.V. Karpukhin, etc. Under the general. ed. G.D. Blumina. M .: Higher school, 1971.598 s.

Claims

Inertial navigation method, including measuring signals from accelerometers, generating a reference coordinate system, calculating the output navigation parameters of the system, characterized in that the output parameters of the navigation system are calculated using the reference model, the corresponding input signals from accelerometers are calculated for the reference model in which the reading system is deployed coordinates at fixed angles relative to the reference coordinate system of the navigation system, calculate signals from accelerometers, receiving the coordinates of the reference model deployed by redesigning the signals from the accelerometers of the navigation system to the reference model rotated to the same fixed angles, then the angular drift of the reference coordinate system of the navigation system is determined from the values of the calculated signals from the accelerometers for the reference model and the signals from the accelerometers and the correction angular position of the reference coordinate system of the navigation system.