RU2348903C1 - Method of determination of navigating parameters by gimballess inertial navigating system - Google Patents
Method of determination of navigating parameters by gimballess inertial navigating system Download PDFInfo
- Publication number
- RU2348903C1 RU2348903C1 RU2007141281/28A RU2007141281A RU2348903C1 RU 2348903 C1 RU2348903 C1 RU 2348903C1 RU 2007141281/28 A RU2007141281/28 A RU 2007141281/28A RU 2007141281 A RU2007141281 A RU 2007141281A RU 2348903 C1 RU2348903 C1 RU 2348903C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- parameters
- navigation
- navigating
- errors
- carrier
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
- G01C21/00—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00
- G01C21/10—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration
- G01C21/12—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration executed aboard the object being navigated; Dead reckoning
- G01C21/16—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration executed aboard the object being navigated; Dead reckoning by integrating acceleration or speed, i.e. inertial navigation
- G01C21/183—Compensation of inertial measurements, e.g. for temperature effects
- G01C21/188—Compensation of inertial measurements, e.g. for temperature effects for accumulated errors, e.g. by coupling inertial systems with absolute positioning systems
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Automation & Control Theory (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Navigation (AREA)
Abstract
Description
Область техникиTechnical field
Изобретение относится к области обработки данных в бесплатформенных инерциальных навигационных системах (БИНС).The invention relates to the field of data processing in strapdown inertial navigation systems (SINS).
Уровень техникиState of the art
Одним из близких аналогов предлагаемого изобретения является описанный в патенте РФ №2272995 (2006) «Способ выработки навигационных параметров и вертикали места». Данный аналог не был выбран прототипом по причине практически полного применения указанного способа только к платформенным, а не к бесплатформенным системам. Единственным замечанием, касающимся бесплатформенных систем, в предлагаемом аналоге является фраза о том, что данная идея может быть реализована и в бесплатформенной технике, однако ничего конкретного и реального по этому применению приведено не было. Подтверждением этого также является материал автора этого изобретения в другой его отозванной заявке №2004129484 на изобретение «Способ выработки навигационных параметров и вертикали места бесплатформенной инерциальной системой», где под видом работы БИНС на самом деле описана работа двух конструктивно идентичных стабилизированных гироплатформ.One of the closest analogues of the present invention is described in the patent of Russian Federation No. 2272995 (2006) "Method for the generation of navigation parameters and vertical location." This analogue was not selected as a prototype due to the almost complete application of this method only to platform, and not to strapdown systems. The only remark regarding strapdown systems in the proposed analogue is the phrase that this idea can be implemented in strapdown technology, however, nothing concrete and real for this application was given. Confirmation of this is also the material of the author of this invention in his other withdrawn application No. 2004129484 for the invention “A method for generating navigation parameters and elevation verticals of a strapdown inertial system”, where under the guise of the SINS operation the operation of two structurally identical stabilized gyro platforms is actually described.
На самом деле реальные приложения способа выработки навигационных параметров в платформенном и бесплатформенном вариантах обладают существенной разницей. Самым важным недостатком указанного способа является то, что демпфирование гироплатформы осуществляют при условии отсутствия баллистических девиаций. Другими словами в динамическом движении (например, в различных маневрах летательного аппарата) предложенная коррекция не используется, в противном случае возникнет возмущаемость платформы, обусловленная ускорениями объекта. Отсюда, например, для грубых чувствительных элементов (дрейф гироскопа порядка 0,1 град/сек) в бесплатформенных системах этот способ вообще неприменим, поскольку за время выполнения маневра вычислительная платформа БИНС разойдется на большие углы по отношению к истинной навигационной.In fact, real applications of the method for generating navigation parameters in platform and strapdown versions have a significant difference. The most important disadvantage of this method is that the damping of the gyro platform is carried out in the absence of ballistic deviations. In other words, in the dynamic movement (for example, in various maneuvers of the aircraft), the proposed correction is not used, otherwise the platform will be disturbed due to acceleration of the object. Hence, for example, for coarse sensitive elements (gyroscope drift of the order of 0.1 deg / s) in strapdown systems, this method is generally not applicable, since during the execution of the maneuver, the SINS computing platform will diverge at large angles with respect to the true navigation one.
Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения может считаться способ по патенту США №5422817 (1995), заключающийся в том, что сигналы акселерометров и гироскопов используются для вычисления углов ориентации путем расчета матрицы направляющих косинусов между связанной и навигационной системами координат. При этом происходит компенсация погрешностей сигналов ускорений акселерометров (американский термин «sculling»), обусловленная тем, что связанная система координат имеет угловую скорость по отношению к инерциальной системе. После чего происходит пересчет ускорений из связанной системы координат в навигационную систему и их интегрирование с целью определения текущих скоростей и приращений координат.The closest analogue of the present invention can be considered the method according to US patent No. 54422817 (1995), which consists in the fact that the signals of accelerometers and gyroscopes are used to calculate orientation angles by calculating the matrix of guiding cosines between the connected and navigation coordinate systems. In this case, the error of the accelerometer acceleration signals is compensated (the American term “sculling”), due to the fact that the associated coordinate system has an angular velocity with respect to the inertial system. After that, the accelerations are recalculated from the associated coordinate system to the navigation system and their integration in order to determine the current speeds and coordinate increments.
У указанного способа имеется традиционный недостаток любых инерциальных систем навигации, заключающийся в том, что ошибки в определении ориентации однозначно определяются точностью датчиков угловых скоростей (ДУС) и акселерометров, тогда как ошибки в определении координат растут с течением времени пропорционально скорости дрейфа ДУС. Этот недостаток особенно для относительно грубых чувствительных элементов (ДУС и акселерометров соответственно на уровне 0,1 град/сек и 10-3 g) приводит к тому, что через некоторое время (это зависит от точности чувствительных элементов) автономной работы вычисленная на борту носителя навигационная система будет отличаться от истинной навигационной системы на большие углы, что фактически ведет к неработоспособности способа навигации. Ограниченность традиционного метода заключается в том, что ошибки инерциальной системы неотделимы от полезного сигнала (то есть истинных навигационных параметров). Этот вывод основан на том факте, что ошибки инерциальной системы имеют низкочастотный характер (так называемые шулеровские колебания), которые неотделимы от реальных движений носителя, на котором установлена система.The indicated method has a traditional drawback of any inertial navigation systems, namely, that errors in determining the orientation are uniquely determined by the accuracy of the angular velocity sensors (ACS) and accelerometers, while errors in determining the coordinates grow over time in proportion to the speed of the ACS drift. This drawback, especially for relatively coarse sensitive elements (TLS and accelerometers at the level of 0.1 deg / s and 10 -3 g, respectively) leads to the fact that after some time (this depends on the accuracy of the sensitive elements), the autonomous operation calculated on board the carrier navigation the system will differ from the true navigation system by large angles, which in fact leads to inoperability of the navigation method. The limitation of the traditional method is that inertial system errors are inseparable from the useful signal (i.e. true navigation parameters). This conclusion is based on the fact that inertial system errors are of a low-frequency nature (the so-called Schuler oscillations), which are inseparable from the actual movements of the carrier on which the system is installed.
Надо заметить, что традиционный метод счисления навигационных параметров не зависит от параметров движения объекта, то есть точность системы (в первом приближении) не зависит от того, с какими параметрами двигается носитель, то есть совершает ли маневр или двигается с постоянной скоростью (крейсерский режим). Ошибки традиционного метода зависят исключительно от точности чувствительных элементов и никаким образом не корректируются внутренними связями. Раскрытие изобретенияIt should be noted that the traditional method of calculating navigation parameters does not depend on the parameters of the object’s movement, that is, the accuracy of the system (in a first approximation) does not depend on what parameters the carrier moves with, that is, whether it maneuvers or moves at a constant speed (cruising mode) . Errors of the traditional method depend solely on the accuracy of the sensitive elements and are not corrected in any way by internal connections. Disclosure of invention
Техническая задача заключается в существенном повышении точности счисления выходных навигационных параметров БИНС (углов ориентации, линейных скоростей и координат местоположения).The technical problem is to significantly increase the accuracy of the calculation of the output navigation parameters SINS (orientation angles, linear speeds and location coordinates).
Технический результат достигается тем, что способ определения навигационных параметров БИНС основан на использовании сигналов блока акселерометров и гироскопических ДУС путем расчета матрицы направляющих косинусов между связанной и навигационной системами координат, компенсации погрешностей акселерометров за счет учета вращения связанной системы, пересчета показаний акселерометров из связанной в навигационную систему координат и их интегрирования для расчета текущих скоростей и приращений координат, и отличается тем, что производят параллельное вычисление совокупности матриц направляющих косинусов между связанной и навигационной системами координат по одним и тем же показаниям акселерометров и ДУС. Для каждой вычисленной матрицы направляющих косинусов определяют собственные навигационные параметры, имеющие различный частотный характер ошибок. При этом каждая из вычисленных матриц имеет индивидуальный закон управления (коррекции, демпфирования), и ошибки их вычисления также имеют различный частотный спектр в зависимости от режимов движения носителя, на котором установлена БИНС. Навигационные параметры для каждой вычисленной матрицы направляющих косинусов подают на входы блока мастер-фильтра, формирующего оптимальную комбинацию навигационных решений в зависимости от частотного диапазона их ошибок, а также от параметров движения носителя.The technical result is achieved in that the method for determining the navigation parameters of the SINS is based on using the signals of the accelerometer unit and gyroscopic TLS by calculating the matrix of guiding cosines between the connected and navigation coordinate systems, compensating for the errors of the accelerometers by taking into account the rotation of the connected system, and recalculating the readings of the accelerometers from the connected to the navigation system coordinates and their integration to calculate current speeds and increments of coordinates, and differs in that DYT parallel calculation aggregate matrix of direction cosines between bound and navigational coordinate systems for the same indications accelerometers and CRS. For each computed matrix of guide cosines, their own navigation parameters are determined that have different frequency errors. Moreover, each of the calculated matrices has an individual control law (correction, damping), and their calculation errors also have a different frequency spectrum depending on the modes of movement of the medium on which the SINS is installed. The navigation parameters for each calculated matrix of guide cosines are fed to the inputs of the master filter unit, which forms the optimal combination of navigation solutions depending on the frequency range of their errors, as well as on the parameters of the carrier’s movement.
В отличие от известного способа счисления навигационных параметров одновременно рассчитывается не одна матрица направляющих косинусов между связанной и навигационной системой координат, а несколько. При этом расчет указанных матриц ведется параллельно по одним и тем же показаниям акселерометров и ДУС и каждая из вычисленных матриц имеет свой закон коррекции (демпфирования) ошибок, так что их ошибки имеют различный частотный спектр, зависящий как от параметров законов коррекции, так от параметров движения носителя, на котором установлена БИНС. По каждой из рассчитанных матриц производится определение собственных навигационных параметров. Навигационные параметры поступают далее на так называемый мастер-фильтр, который формирует оптимальную комбинацию навигационных решений за счет различного частотного спектра ошибок каждой из платформ и законов изменения углов ориентации и ускорений. Другими словами, в одном бортовом вычислителе реализуют не одну систему вычисления навигационных параметров, а совокупность систем, но при этом источник информации для них единый, т.е. основан на измерении только одного блока чувствительных элементов (акселерометров и ДУС). Мастер-фильтр имеет дело с совокупностью решений каждой из систем и формирует единое решение, являющееся оптимальным (наилучшим в среднеквадратическом смысле) для данного режима полета и всего частотного диапазона ошибок. Каждая из вычислительных платформ является возмущаемой в той или иной мере, но применение мастер-фильтра позволяет выбрать из частных решений общее, имеющее невозмущаемые части решений в своем составе.In contrast to the known method of calculating navigation parameters, not one matrix of directing cosines between the connected and navigation coordinate system is calculated at the same time, but several. In this case, the calculation of these matrices is carried out in parallel according to the same readings of accelerometers and TLS and each of the calculated matrices has its own error correction (damping) law, so that their errors have a different frequency spectrum, depending both on the parameters of the correction laws and on the motion parameters the carrier on which the SINS is installed. For each of the calculated matrices, their own navigation parameters are determined. The navigation parameters then go to the so-called master filter, which forms the optimal combination of navigation solutions due to the different frequency spectrum of errors of each platform and the laws of changes in orientation angles and accelerations. In other words, in one on-board computer they implement not one system for calculating navigation parameters, but a set of systems, but at the same time the information source for them is the same, i.e. based on measuring only one block of sensitive elements (accelerometers and TLS). The master filter deals with the totality of the solutions of each of the systems and forms a single solution that is optimal (best in the rms sense) for a given flight mode and the entire frequency range of errors. Each of the computing platforms is perturbed in one way or another, but the use of a master filter allows you to choose from particular solutions general, having undisturbed parts of the solutions in its composition.
Действительно, использование различного типа радиальных коррекций приводит к возмущаемости вычислительной платформы в маневрах и невозмущаемой части в крейсерском полете. Поскольку «быстрые маневры» имеют существенно малое время по сравнению с маломаневренным движением, то низкие частоты (когда объект не совершает маневра) являются невозмущаемыми, тогда как высокие частоты параметров ориентации возмущаемы за счет наличия существенных ускорений носителя. При использовании интегральной коррекции по показаниям выхода адаптивного фильтра Калмана система в маневрах является невозмущаемой, тогда как для слабоманевренного движения имеет существенные низкочастотные погрешности. Мастер-фильтр осуществляет разделение возмущаемой и невозмущаемой части решений каждой из вычислительных платформ и формирует общее решение, являющееся оптимальным (в среднеквадратическом смысле) для всего частотного диапазона изменения навигационных параметров.Indeed, the use of various types of radial corrections leads to the perturbation of the computing platform in maneuvers and the unperturbed part in cruise flight. Since “fast maneuvers” have a significantly short time compared to low-maneuverable movement, low frequencies (when the object does not maneuver) are unperturbed, while high frequencies of orientation parameters are perturbed due to the presence of significant accelerations of the carrier. When using integral correction according to the output indications of the adaptive Kalman filter, the system in maneuvers is unperturbed, while for weakly maneuverable movement it has significant low-frequency errors. The master filter separates the perturbed and non-perturbed parts of the solutions of each of the computing platforms and forms a general solution that is optimal (in the rms sense) for the entire frequency range of the navigation parameters.
В отличие от вышеупомянутого способа по патенту РФ №2272995 используют не разности одноименной информации, а их индивидуальные решения для каждой из всех вычислительных платформ, а их комбинации в мастер-фильтре объединяют как на основе частотных характеристик ошибок, так и на основе параметров движения носителя БИНС. Перечень чертежейUnlike the aforementioned method according to RF patent No. 2272995, they do not use the difference of the same name information, but their individual solutions for each of all computing platforms, and their combinations in the master filter are combined both on the basis of frequency characteristics of errors and on the basis of motion parameters of the SINS carrier . List of drawings
Фиг.1. Блок-схема традиционного способа вычисления навигационных параметров БИНС в обобщенном виде.Figure 1. A block diagram of a traditional method for calculating the SINS navigation parameters in a generalized form.
Фиг.2. Блок-схема предлагаемого способа вычисления навигационных параметров БИНС в обобщенном виде.Figure 2. The block diagram of the proposed method for calculating the navigation parameters SINS in a generalized form.
Фиг.3, 4, 5. Примеры блок-схем реализации трех вычислительных платформ в обобщенном виде.Figure 3, 4, 5. Examples of block diagrams of the implementation of three computing platforms in a generalized form.
Фиг.6. Пример блок-схемы реализации мастер-фильтра в обобщенном виде.6. An example of a block diagram of the implementation of a master filter in a generalized form.
Фиг.7, 8, 9, 10. Сравнение частотных спектров угла тангажа по трем вычислительным платформам и с выхода мастер-фильтра, реализованным в малогабаритной БИНС «КомпаНав-2» на микромеханических гироскопах и акселерометрах, и эталонного спектра, полученного от высокоточной лазерной БИНС «И-42».7, 8, 9, 10. Comparison of the frequency spectra of the pitch angle over three computing platforms and from the output of the master filter implemented in the compact CompaNav-2 SINS using micromechanical gyroscopes and accelerometers and the reference spectrum obtained from high-precision laser SINS "I-42."
Фиг.11, 12. Сравнение показаний параметров тангажа и крена, полученных предлагаемым и традиционным способами, с аналогичными параметрами эталонной системы лазерной БИНС «И-42».11, 12. Comparison of the readings of the pitch and roll parameters obtained by the proposed and traditional methods, with similar parameters of the reference system of laser SINS "I-42".
Осуществление изобретенияThe implementation of the invention
На Фиг.1…6 цифрами обозначены блоки в общем виде: блоки 1, 2, 3 вычислительных платформ, мастер-фильтр 4, блок 5 чувствительных элементов (акселерометров и ДУСов); блок 56 компенсации погрешностей акселерометров за счет учета вращения связанной системы координат («sculling»); блок 6 пересчета ускорений из связанной в навигационную систему координат; блок 7 вычисления скоростей и координат; блок 8 вычисления матрицы направляющих косинусов (между связанной и инерциальной системой); блок 9 вычисления коэффициента усиления K1 первой вычислительной платформы; блок 10 вычисления коэффициентов усиления К2, К3 второй вычислительной платформы; блок интегрирования 11 интегральной ветви второй вычислительной платформы 2; адаптивный фильтр Калмана 12 третьей вычислительной платформы; фильтры Калмана ФК1 (13, 14) и ФК2 (15, 16) в схеме реализации мастер-фильтра 4 трех вычислительных платформ.In Fig. 1 ... 6, the numbers indicate the blocks in general form:
Традиционный и предлагаемый способы вычисления навигационных параметров БИНС представлены в обобщенном виде на Фиг.1 и 2.The traditional and proposed methods for calculating the navigation parameters of the SINS are summarized in figures 1 and 2.
В схеме вычислительной платформы традиционного способа сигналы акселерометров из блока 5 через блок 56 подают на блок 6, с которого сигналы поступают на блок 7. На блок 8 поступают сигналы угловых скоростей систем координат: связанной из блока 5 и навигационной из блока 7. Выходами блока 8 являются углы ориентации.In the scheme of the computing platform of the traditional method, the signals of the accelerometers from
В традиционном способе после компенсации ошибок (блок 56) акселерометров (из блока 5), вызванных вращением связанной системы координат, происходит пересчет ускорений из связанной в навигационную систему (блок 6). При этом матрицу направляющих косинусов между связанной и навигационной системами координат (блок 8) рассчитывают (обычно через кватернионные преобразования) по угловым скоростям связанной и навигационной систем координат. При этом угловые скорости связанной системы непосредственно поступают из блока 5 чувствительных элементов датчиков, тогда как угловые скорости навигационной системы рассчитывают путем интегрирования ускорений навигационной системы (блок 7). Второе интегрирование указанных ускорений обеспечивает определение приращений координат (также блок 7).In the traditional method, after the error compensation (block 56) of the accelerometers (from block 5) caused by the rotation of the associated coordinate system, the accelerations are recalculated from the coupled to the navigation system (block 6). In this case, the matrix of guide cosines between the connected and navigation coordinate systems (block 8) is calculated (usually through quaternion transforms) according to the angular velocities of the connected and navigation coordinate systems. In this case, the angular velocities of the coupled system directly come from
Такой способ обладает традиционным недостатком, обусловленным зависимостью точности системы от погрешностей чувствительных элементов. При этом ошибки системы находятся на границе устойчивости, что недопустимо, особенно при использовании «грубых» чувствительных элементов. В предлагаемом способе параллельно реализуют несколько вычислительных схем (блоки платформ 1, 2, 3) определения навигационных параметров (по сигналам акселерометров и ДУСов блока 5). При этом каждая из вычислительных схем (или «вычислительных платформ») имеет свой закон управления, который с одной стороны обеспечивает устойчивость решения (без применения блока 56), но при этом является возмущаемым в зависимости от режима движения носителя. Чтобы снизить эффект возмущаемости необходимо выбирать параметры закона управления в зависимости от режима движения носителя (скорости изменения его курса, углов крена и ускорений). При этом каждый из законов управления обеспечивает свой частотный диапазон изменения ошибок навигационных параметров. Мастер-фильтр (блок 4) обеспечивает комбинацию навигационных решений, полученных с каждой из вычислительных платформ (1, 2, 3), на основе принципа частотного разделения индивидуальных решений, так что общее решение обеспечивает наилучшие показания системы во всем частотном диапазоне.This method has a traditional drawback due to the dependence of the accuracy of the system on the errors of the sensitive elements. At the same time, system errors are on the stability boundary, which is unacceptable, especially when using “coarse” sensitive elements. In the proposed method, several computational schemes (
В зависимости от наборов конкретных блоков реализации предлагаемого способа возможно существенное повышение точности всех навигационных параметров (углов ориентации, скоростей, координат).Depending on the sets of specific blocks for the implementation of the proposed method, a significant increase in the accuracy of all navigation parameters (orientation angles, speeds, coordinates) is possible.
Пример осуществления способаAn example of the method
В примере рассматривается реализация способа, позволяющая повысить точность определения углов ориентации (тангажа, крена, курса).The example considers the implementation of the method, which allows to increase the accuracy of determining orientation angles (pitch, roll, course).
В качестве системы, реализующей предлагаемый способ, может быть использована инерциальная система, каждая из трех вычислительных платформ (1, 2, 3) которой имеет законы управления, показанные в обобщенном виде на Фиг.3, 4, 5. Нет блока 56 между блоками 5 и 6, но зато есть блоки реализации законов управления (коррекции) сигналов от блока 6 на блок 8.As a system that implements the proposed method, an inertial system can be used, each of the three computing platforms (1, 2, 3) of which has control laws shown in a generalized form in Figs. 3, 4, 5. There is no block 56 between
На Фиг.3 представлена традиционная радиальная коррекция первой вычислительной платформы по сигналам акселерометров: К1·аx, K1·ay с переменным (через блок 9) коэффициентом К1 (зависящим от параметров движения носителя), которые подают на вычислительную модель (так называемый «имидж») датчика момента гироплатформы (блок 8 вычисления матрицы направляющих косинусов). При этом при выборе жесткой обратной связи по ускорениям (большой коэффициент K1) первая платформа будет иметь точные показания при крейсерском полете и иметь большие погрешности в маневрах (возмущаемость платформы по ускорениям). В частотном диапазоне эта платформа должна использоваться исключительно для низких частот изменения углов ориентации.Figure 3 presents the traditional radial correction of the first computing platform according to the accelerometer signals: K 1 · a x , K 1 · a y with a variable (through block 9) coefficient K 1 (depending on the parameters of the carrier’s movement), which are fed to the computational model ( the so-called “image”) of the gyro platform moment sensor (block 8 for calculating the matrix of guide cosines). At the same time, when choosing rigid feedback on accelerations (large coefficient K 1 ), the first platform will have accurate readings during cruise flight and will have large errors in maneuvers (platform perturbations in accelerations). In the frequency range, this platform should be used exclusively for low frequencies of change of orientation angles.
При выборе радиально-интегральной коррекции по ускорениям (вторая платформа, Фиг.4, блоки 10, 11) типа:When choosing a radial-integral correction for accelerations (second platform, Figure 4, blocks 10, 11) type:
U1=K3·δVy;U 1 = K 3 · δV y ;
U2=K3·δVx,U 2 = K 3 · δV x ,
гдеWhere
; ;
, ,
где U1, U2 - сигналы управления вычислительной платформы;where U 1 , U 2 - control signals of the computing platform;
аx, ау - сигналы ускорений объекта в горизонтальной плоскости;and x , and y are the acceleration signals of the object in the horizontal plane;
и при относительно малых величинах коэффициентов К2 радиальной и K3 интегральной (блок 11) ветвей вторая платформа будет обеспечивать наилучшие показания для средней частоты при малом маневрировании носителя.and with relatively small values of the coefficients K 2 of the radial and K 3 integral (block 11) branches, the second platform will provide the best readings for the average frequency with low carrier maneuvering.
В третьей платформе (Фиг.5) при использовании коррекции акселерометров через адаптивный фильтр Калмана (блок 12) с коэффициентом усиления К используют «слабое» управление (К порядка 1·10-6) для демпфирования ошибок по выходным показаниям фильтра Калмана. При этом третья платформа обеспечивает высокие частоты при сильных маневрах летательного аппарата. В качестве измерений для адаптивного фильтра Калмана используют показания акселерометров в навигационной системе координат:In the third platform (Figure 5), when using accelerometer correction through an adaptive Kalman filter (block 12) with a gain of K, a “weak” control (K of the order of 1 · 10 -6 ) is used to damp errors by the output of the Kalman filter. At the same time, the third platform provides high frequencies with strong maneuvers of the aircraft. As measurements for the adaptive Kalman filter, the readings of accelerometers in the navigation coordinate system are used:
zx=-gФx+ax;z x = -gF x + a x ;
zy=gФy+ay,z y = gФ y + a y ,
где Фx, Фу - погрешности ориентации вычислительной платформы,where Ф x , Ф у - orientation errors of the computing platform,
аx, ay - ускорения навигационной системы координат.and x , a y are the accelerations of the navigation coordinate system.
Адаптивный фильтр Калмана реализуют следующим образом:Adaptive Kalman filter is implemented as follows:
; ;
; ;
PK/K-1=ФРK-1ФТ+GQGT;P K / K-1 = FR K-1 Ф Т + GQG T ;
если >порога, RK=S·Rном. if > threshold, R K = S · R nom.
KK=PK/K-1HT[HPK/K-1HT+RK]-1;K K = P K / K-1 H T [HP K / K-1 H T + R K ] -1 ;
PK=(I-KKH)·PK/K-1,P K = (IK K H) · P K / K-1 ,
где Ф - матрица перехода модели,where f is the transition matrix of the model,
G - матрица входа,G is the input matrix
- оценка вектора состояния (в данном случае - оценка ошибок ориентации Фx, Фу), - assessment of the state vector (in this case, the estimation of orientation errors Ф x , Ф у ),
Р - ковариационная матрица ошибок оценивания,P is the covariance matrix of estimation errors,
Н - матрица измерений,H - matrix of measurements,
КK - матрица усиления фильтра,K K is the filter gain matrix,
Q - ковариационная матрица входных шумов,Q - covariance matrix of input noise,
RK - ковариационная матрица измерительных шумов,R K - covariance matrix of measuring noise,
S - коэффициент усиления матрицы шумов.S is the gain of the noise matrix.
Отличие данного адаптивного фильтра Калмана от традиционного заключается в адаптивной подстройке матрицы измерительных шумов RK в зависимости от квадрата величины обновляемого процесса, зависящего от реальных ошибок оценивания. Таким образом, задача фильтра Калмана - отфильтровать ускорения и оценить ошибки ориентации вычислительной платформы, что обеспечивает низкую степень возмущаемости БИНС в сильных маневрах.The difference between this adaptive Kalman filter and the traditional one is the adaptive adjustment of the measuring noise matrix R K depending on the square of the value of the updated process, depending on the real estimation errors. Thus, the task of the Kalman filter is to filter out accelerations and evaluate the orientation errors of the computing platform, which ensures a low degree of SINS perturbation in strong maneuvers.
Необходимо заметить, что коэффициенты К1, К2, К3 не являются постоянными величинами, а зависят от параметров движения носителя, т.е. от режимов: сильный маневр; слабое маневрирование; крейсерское движение без маневрирования. Другими словами, реализуют математические функции коэффициентов Ki=f(γ, Нψ, а), где γ - крен, Hψ - производная курса, а - ускорение носителя в плоскости горизонта. При этом уравнение ошибок ориентации имеет вид:It should be noted that the coefficients K 1 , K 2 , K 3 are not constant values, but depend on the motion parameters of the carrier, i.e. from modes: strong maneuver; weak maneuvering; cruising without maneuvering. In other words, they implement the mathematical functions of the coefficients K i = f (γ, Н ψ , а), where γ is the roll, H ψ is the derivative of the course, and acceleration of the support in the horizon plane. In this case, the equation of orientation errors has the form:
- для первой платформы; - for the first platform;
- для второй платформы; - for the second platform;
- для третьей платформы. - for the third platform.
Здесь ФN,E - ошибки ориентации БИНС;Here Ф N, E are the SINS orientation errors;
- дрейфы гироскопов; - drifts of gyroscopes;
а - ускорения носителя в плоскости горизонта;a - acceleration of the carrier in the horizon;
- ошибки оценивания, допускаемые адаптивным фильтром Калмана. - estimation errors made by the adaptive Kalman filter.
Из приведенных уравнений следует, что при выборе различных значений коэффициентов К влияние дрейфа гироскопа будет различным (чем больше коэффициенты усиления в обратной связи, тем меньше влияние дрейфа гироскопов на ошибки ориентации).From the above equations it follows that when choosing different values of the coefficients K, the influence of the gyro drift will be different (the higher the gain in feedback, the less the influence of the gyro drift on orientation errors).
Мастер-фильтр 4 осуществляет частотное разделение показаний всех трех платформ 1, 2, 3 и формирует выходные показания, являющиеся оптимальным решением для всего частотного диапазона и при различных движениях летательного аппарата. Частотное разделение сигналов базируется на оптимальной фильтрации (фильтр Калмана) показаний всех платформ, что более конкретно рассмотрено ниже.The
Пример блок-схемы реализации мастер-фильтра 4 в обобщенном виде представлен на Фиг.6.An example of a block diagram of the implementation of the
Схематично исходные сигналы трех платформ подают соответственно: 1-й - на блок 13 ФК1, 2-й - на блок 14 ФК1, 3-й - на блок 15 ФК2, а также указанные исходные сигналы 2-й и 3-й платформ также подают на два отдельные вычитающие устройства для соответствующего вычитания из них выходных сигналов блока 14 ФК1 и блока 15 ФК2. Выход первого указанного вычитателя далее суммируют с выходным сигналом блока 13 ФК1 и подают на блок 16 ФК2, выход которого суммируют с выходом второго указанного вычитателя.Schematically, the initial signals of the three platforms are supplied, respectively: 1st — to the
Навигационные параметры, например углы ориентации, ϑ1, ϑ2 с первой и второй платформ поступают на фильтр Калмана (ФК1, блоки 13, 14). Данный фильтр Калмана в качестве модели полезного сигнала выбирает его низкочастотную составляющую. При этом все параметры фильтра Калмана (модель объекта и матрицы шумов) являются одинаковыми для первой и второй платформ. В результате на выходе этого фильтра имеются оценки , низкочастотной составляющей углов ориентации. При этом первая платформа обеспечивает точную оценку , тогда как низкочастотная составляющая второй платформы имеет уходы (за счет нежесткой обратной связи). После чего в показаниях второй платформы компенсируют неточную низкочастотную составляющую и заменяют в сигнале ϑ2 точной составляющей . Таким образом, сигнал содержит низкочастотную составляющую с первой платформы, а средние и высокие частоты определяются второй платформой.Navigation parameters, such as orientation angles, ϑ 1 , ϑ 2 from the first and second platforms are fed to the Kalman filter (FC1, blocks 13, 14). This Kalman filter as a model of a useful signal selects its low-frequency component. Moreover, all Kalman filter parameters (object model and noise matrix) are the same for the first and second platforms. As a result, there are estimates at the output of this filter , low-frequency component of the orientation angles. At the same time, the first platform provides an accurate assessment , while the low-frequency component of the second platform has cares (due to non-rigid feedback). Then, in the readings of the second platform, the inaccurate low-frequency component is compensated and replace the exact component in the signal ϑ 2 . So the signal contains a low-frequency component from the first platform, and medium and high frequencies are determined by the second platform.
Аналогичные преобразования формируют для комбинации сигнала с измерениями от третьей платформы. При этом параметры фильтра Калмана (ФК2, блоки 15, 16) выбирают таким образом, чтобы его оценки содержали средние и низкие частоты сигнала.Similar transformations form for a signal combination with measurements from the third platform. At the same time, the parameters of the Kalman filter (FC2, blocks 15, 16) are chosen so that its estimates contain the medium and low frequencies of the signal.
После комбинации с оценками ФК2 с третьей платформы формируют сигнал ϑф, который имеет оптимальные параметры для всего частотного диапазона (низкие, средние и высокие частоты).After a combination with estimates of FC2, a signal ϑ f is formed from the third platform, which has optimal parameters for the entire frequency range (low, medium and high frequencies).
Предлагаемый способ и система его реализующая применены в российской промышленно выпускаемой малогабаритной БИНС «КомпаНав-2» (ООО «ТеКнол») на микромеханических акселерометрах и гироскопах.The proposed method and its implementing system are used in the Russian commercially available small-sized SINS CompaNav-2 (TeKnol LLC) on micromechanical accelerometers and gyroscopes.
Производилось сравнение показаний одновременно работавших БИНС «КомпаНав-2» и эталонной лазерной БИНС «И-42» на носителе - самолете Як-18. Сравнение показывает, что предложенное решение по сравнению с традиционным обеспечивает критическое повышение точности. Данные испытаний системы официально подтверждены Актом Испытаний ЛИИ им. М.М.Громова (г.Жуковский, МО).A comparison was made of the readings of the simultaneously operating SINS CompaNav-2 and the reference laser SINS I-42 on a carrier - the Yak-18 aircraft. Comparison shows that the proposed solution in comparison with the traditional one provides a critical increase in accuracy. The test data of the system is officially confirmed by the Test Act of the LII named after M.M.Gromova (Zhukovsky, Moscow region).
Для наглядного подтверждения на Фиг.7, 8, 9, 10 представлены частотные спектры измерений различных вычислительных платформ и с выхода мастер-фильтра в сравнении со спектром эталонного сигнала, полученных в реальных испытаниях «КомпаНав-2» на самолете Як-18. Из сравнения приведенных спектров очевидно, что первая платформа обеспечивает точные низкие частоты, вторая - средние, тогда как третья обеспечивает наиболее адекватные высокие частоты углов ориентации. Общий частотный спектр угла тангажа с выхода мастер-фильтра и частотный спектр выходного эталонного сигнала практически совпадают (см. Фиг.10).For visual confirmation, Figures 7, 8, 9, 10 show the frequency spectra of measurements of various computing platforms and from the output of the master filter in comparison with the spectrum of the reference signal obtained in real tests of KompaNav-2 on the Yak-18 aircraft. From a comparison of the spectra given, it is obvious that the first platform provides accurate low frequencies, the second - medium, while the third provides the most adequate high frequencies of orientation angles. The total frequency spectrum of the pitch angle from the output of the master filter and the frequency spectrum of the output reference signal are almost the same (see Figure 10).
Сравнение показаний временных реализации в реальных испытаниях параметров углов ориентации тангажа и крена такой системы по сравнению с традиционным исполнением и сигналами эталонной системы приведены на Фиг.11, 12. Предложенный способ улучшает точность счисления углов ориентации до 5-6 раз (в среднеквадратическом смысле) по сравнению с традиционным, что определяется разностью сигналов «КомпаНав-2» и эталона и традиционного способа и эталона.A comparison of the indications of temporary realizations in real tests of the parameters of the pitch and roll orientation angles of such a system as compared to the traditional design and the signals of the reference system are shown in Figs. 11, 12. The proposed method improves the accuracy of calculating the orientation angles up to 5-6 times (in the rms sense) by Compared with traditional, which is determined by the difference between the signals of KompaNav-2 and the standard and the traditional method and standard.
Что касается повышения точности счисления параметров скоростей и координат, то возможно использовать аналогичные вычислительные платформы с аналогичными законами управления (коррекции, демпфирования) и аналогичным мастер-фильтром для дальнейшего повышения точности БИНС в части счисления скоростей и координат. Также коррекция ошибок ориентации в матрице направляющих косинусов автоматически приводит к повышению точности их счисления, то есть использование откорректированной по показаниям мастер-фильтра матрицы направляющих косинусов снижает погрешности в определении ускорений навигационной системы, а значит и скоростей и координат.As for improving the accuracy of calculating the parameters of speeds and coordinates, it is possible to use similar computing platforms with similar control laws (correction, damping) and a similar master filter to further improve the accuracy of the SINS in terms of calculating speeds and coordinates. Also, the correction of orientation errors in the matrix of guide cosines automatically leads to an increase in the accuracy of their calculation, that is, the use of a matrix of guide cosines corrected according to the readings of the master filter reduces the errors in determining the accelerations of the navigation system, and hence the speeds and coordinates.
Claims (1)
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2007141281/28A RU2348903C1 (en) | 2007-11-09 | 2007-11-09 | Method of determination of navigating parameters by gimballess inertial navigating system |
PCT/RU2008/000693 WO2009061235A2 (en) | 2007-11-09 | 2008-11-07 | Method for determining navigational parameters by means of a strapdown inertial reference system |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2007141281/28A RU2348903C1 (en) | 2007-11-09 | 2007-11-09 | Method of determination of navigating parameters by gimballess inertial navigating system |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2348903C1 true RU2348903C1 (en) | 2009-03-10 |
Family
ID=40528729
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2007141281/28A RU2348903C1 (en) | 2007-11-09 | 2007-11-09 | Method of determination of navigating parameters by gimballess inertial navigating system |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2348903C1 (en) |
WO (1) | WO2009061235A2 (en) |
Cited By (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2487318C1 (en) * | 2012-02-14 | 2013-07-10 | Олег Степанович Салычев | Platform-free inertial attitude and heading reference system based on sensitive elements of medium accuracy |
RU2504733C1 (en) * | 2012-07-27 | 2014-01-20 | Открытое акционерное общество "Научно-производственная фирма "Меридиан" | Method of relative drift in movable carrier navigation systems and system to this end |
RU2553776C1 (en) * | 2014-02-06 | 2015-06-20 | Открытое акционерное общество Московский научно-производственный комплекс "Авионика" имени О.В. Успенского (ОАО МНПК "Авионика") | Method of determining angular position of controlled device hanged to aircraft carrier |
RU2555496C1 (en) * | 2014-03-13 | 2015-07-10 | Открытое акционерное общество Московский научно-производственный комплекс "Авионика" имени О.В. Успенского (ОАО МНПК "Авионика") | Device to detect angles of spatial orientation of movable object |
RU2564380C1 (en) * | 2014-05-16 | 2015-09-27 | Открытое акционерное общество Московский научно-производственный комплекс "Авионика" имени О.В. Успенского (ОАО МНПК "Авионика") | Correction method of strap-down inertial navigation system |
RU2565345C2 (en) * | 2014-02-07 | 2015-10-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана" | Navigation system |
RU2572403C1 (en) * | 2015-03-30 | 2016-01-10 | Игорь Петрович Шепеть | Method of inertial navigation and device for its realisation |
RU2574379C1 (en) * | 2014-10-17 | 2016-02-10 | Акционерное общество "Московский институт электромеханики и автоматики" (АО "МИЭА") | Method of control over strapdown altitude gyro and device to this end |
RU2659970C1 (en) * | 2017-08-02 | 2018-07-04 | Публичное акционерное общество "Московский институт электромеханики и автоматики" (ПАО "МИЭА") | Method of controlling a freeform gyrovertical with a radial correction and a freeform gyrovertical for its implementation |
RU2667320C1 (en) * | 2017-11-02 | 2018-09-18 | Публичное акционерное общество "Московский институт электромеханики и автоматики" (ПАО "МИЭА") | Method of controlling digital platform in free of charge gyroverticals and device for implementation thereof |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US9880291B2 (en) | 2015-03-02 | 2018-01-30 | Beamocular Ab | Ionizing radiation detecting device |
CN112577481B (en) * | 2020-12-22 | 2022-07-26 | 西北工业大学 | Ground target positioning method for rotor unmanned aerial vehicle |
Family Cites Families (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS60238713A (en) * | 1984-05-14 | 1985-11-27 | Mitsubishi Precision Co Ltd | Strap-down inertia navigation and its system |
US5422817A (en) * | 1991-08-13 | 1995-06-06 | Litton Systems, Inc. | Strapdown inertial navigation system using high order |
JP2003065793A (en) * | 2001-08-22 | 2003-03-05 | Japan Aviation Electronics Industry Ltd | Inertia device |
RU2293950C1 (en) * | 2005-07-25 | 2007-02-20 | Закрытое акционерное общество Объединенное конструкторское бюро "Русская авионика" | Flying vehicle navigation complex |
-
2007
- 2007-11-09 RU RU2007141281/28A patent/RU2348903C1/en active
-
2008
- 2008-11-07 WO PCT/RU2008/000693 patent/WO2009061235A2/en active Application Filing
Cited By (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2487318C1 (en) * | 2012-02-14 | 2013-07-10 | Олег Степанович Салычев | Platform-free inertial attitude and heading reference system based on sensitive elements of medium accuracy |
RU2504733C1 (en) * | 2012-07-27 | 2014-01-20 | Открытое акционерное общество "Научно-производственная фирма "Меридиан" | Method of relative drift in movable carrier navigation systems and system to this end |
RU2553776C1 (en) * | 2014-02-06 | 2015-06-20 | Открытое акционерное общество Московский научно-производственный комплекс "Авионика" имени О.В. Успенского (ОАО МНПК "Авионика") | Method of determining angular position of controlled device hanged to aircraft carrier |
RU2565345C2 (en) * | 2014-02-07 | 2015-10-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана" | Navigation system |
RU2555496C1 (en) * | 2014-03-13 | 2015-07-10 | Открытое акционерное общество Московский научно-производственный комплекс "Авионика" имени О.В. Успенского (ОАО МНПК "Авионика") | Device to detect angles of spatial orientation of movable object |
RU2564380C1 (en) * | 2014-05-16 | 2015-09-27 | Открытое акционерное общество Московский научно-производственный комплекс "Авионика" имени О.В. Успенского (ОАО МНПК "Авионика") | Correction method of strap-down inertial navigation system |
RU2574379C1 (en) * | 2014-10-17 | 2016-02-10 | Акционерное общество "Московский институт электромеханики и автоматики" (АО "МИЭА") | Method of control over strapdown altitude gyro and device to this end |
RU2572403C1 (en) * | 2015-03-30 | 2016-01-10 | Игорь Петрович Шепеть | Method of inertial navigation and device for its realisation |
RU2659970C1 (en) * | 2017-08-02 | 2018-07-04 | Публичное акционерное общество "Московский институт электромеханики и автоматики" (ПАО "МИЭА") | Method of controlling a freeform gyrovertical with a radial correction and a freeform gyrovertical for its implementation |
RU2667320C1 (en) * | 2017-11-02 | 2018-09-18 | Публичное акционерное общество "Московский институт электромеханики и автоматики" (ПАО "МИЭА") | Method of controlling digital platform in free of charge gyroverticals and device for implementation thereof |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2009061235A3 (en) | 2009-07-23 |
WO2009061235A2 (en) | 2009-05-14 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2348903C1 (en) | Method of determination of navigating parameters by gimballess inertial navigating system | |
CN110031882B (en) | External measurement information compensation method based on SINS/DVL integrated navigation system | |
WO2020062791A1 (en) | Sins/dvl-based underwater anti-shaking alignment method for deep-sea underwater vehicle | |
CN101033973B (en) | Attitude determination method of mini-aircraft inertial integrated navigation system | |
RU2373498C2 (en) | Navigation complex, velocity and coordinates' calculation, gimballess inertial attitude-and-heading reference system, correction method for inertial transducers and device for its implementation | |
AU2009200190B2 (en) | Methods and systems for underwater navigation | |
US20070271037A1 (en) | Systems and methods for improved inertial navigation | |
EP1642089B1 (en) | Method and system for improving accuracy of inertial navigation measurements using measured and stored gravity gradients | |
CN106500693B (en) | A kind of AHRS algorithm based on adaptive extended kalman filtering | |
CN108759845A (en) | A kind of optimization method based on inexpensive multi-sensor combined navigation | |
RU2380656C1 (en) | Integrated strapdown inertial and satellite navigation system on coarse sensors | |
CN112146655B (en) | Elastic model design method for BeiDou/SINS tight integrated navigation system | |
CN110940340A (en) | Multi-sensor information fusion method based on small UUV platform | |
CN110849360B (en) | Distributed relative navigation method for multi-machine collaborative formation flight | |
CN108627152A (en) | A kind of air navigation aid of the miniature drone based on Fusion | |
RU2564379C1 (en) | Platformless inertial attitude-and-heading reference | |
RU2382988C1 (en) | Strapdown inertial reference system on "coarse" detecting elements | |
KR101564020B1 (en) | A method for attitude reference system of moving unit and an apparatus using the same | |
CN109827596A (en) | The zero bias estimation method of MEMS gyroscope under the conditions of a kind of descontinuous motion | |
Sun et al. | A robust in-motion attitude alignment method for odometer-aided strapdown inertial navigation system | |
CN111141285B (en) | Aviation gravity measuring device | |
RU2487318C1 (en) | Platform-free inertial attitude and heading reference system based on sensitive elements of medium accuracy | |
RU2373562C2 (en) | Method and device for controlling horizontal orientation of aircraft | |
CN111982126A (en) | Design method of full-source BeiDou/SINS elastic state observer model | |
CN116499492A (en) | DVL-assisted strapdown compass coarse alignment method under uniform-speed direct navigation |