RU2561003C1 - Integrated orientation and navigation system for objects with fast rotation about longitudinal axis - Google Patents
Integrated orientation and navigation system for objects with fast rotation about longitudinal axis Download PDFInfo
- Publication number
- RU2561003C1 RU2561003C1 RU2014119461/28A RU2014119461A RU2561003C1 RU 2561003 C1 RU2561003 C1 RU 2561003C1 RU 2014119461/28 A RU2014119461/28 A RU 2014119461/28A RU 2014119461 A RU2014119461 A RU 2014119461A RU 2561003 C1 RU2561003 C1 RU 2561003C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- block
- input
- sna
- bkoi
- output
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Position Fixing By Use Of Radio Waves (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области навигационного приборостроения летательных и космических аппаратов.The invention relates to the field of navigation instrumentation of aircraft and spacecraft.
В настоящее время при решении задач управления малогабаритными подвижными объектами (объектами управления - ОУ) все большее применение находят бескарданные инерциальные системы ориентации и навигации. Это в первую очередь связано с прогрессом в разработке инерциальных чувствительных элементов, электроники, существенным снижением их массогабаритных характеристик и стоимости.Currently, when solving problems of controlling small-sized moving objects (control objects - OS), gimballess inertial orientation and navigation systems are increasingly used. This is primarily due to progress in the development of inertial sensitive elements, electronics, a significant decrease in their overall dimensions and cost.
Создание таких бескарданных инерциальных систем ориентации и навигации сопряжено с рядом проблем. В первую очередь можно выделить проблему достижения необходимого уровня точности инерциальными чувствительными элементами, применяемыми в таких системах, в частности инерциальными микромеханическими датчиками (ММД). На современном этапе развития ММД автономное функционирование бескарданных инерциальных систем в течение длительного времени при сохранении ими требуемого уровня точности не представляется возможным. Требуемый уровень точности достигается путем интеграции информации бескарданных инерциальных измерительных модулей (БИ-ИМ) с приемной аппаратурой (ПА) спутниковых навигационных систем (СНС), то есть, путем построения интегрированных систем ориентации и навигации (ИСОН) на базе БИИМ, информационно и конструктивно интегрированных с ПА СНС [1, 2].The creation of such gimballess inertial orientation and navigation systems is fraught with a number of problems. First of all, it is possible to single out the problem of achieving the required level of accuracy with inertial sensitive elements used in such systems, in particular with inertial micromechanical sensors (MMD). At the present stage of the development of MMD, the autonomous functioning of gimballess inertial systems for a long time while maintaining the required level of accuracy is not possible. The required level of accuracy is achieved by integrating information from gimballess inertial measuring modules (BI-IM) with the receiving equipment (PA) of satellite navigation systems (SNA), that is, by building integrated orientation and navigation systems (ISON) based on the BIIM, informationally and structurally integrated with PA SNS [1, 2].
Для обеспечения также и высокой помехоустойчивости таких систем, их построение осуществляется по так называемой сильносвязанной схеме [3].To ensure also high noise immunity of such systems, their construction is carried out according to the so-called tightly coupled scheme [3].
В рассмотренных патентах [4, 5, 6, 7, 8] не обеспечивается требуемый уровень точности интегрированной системы в определении параметров ориентации для объектов с быстрым вращением вокруг продольной оси.In the considered patents [4, 5, 6, 7, 8], the required level of accuracy of the integrated system in determining the orientation parameters for objects with fast rotation around the longitudinal axis is not provided.
Способы определения параметров ориентации объекта, основанные на использовании в ПА СНС фазовых измерений с разнесенных на объекте антенн, приведены в описании первой из отечественных мультиантенной ПА СНС МРК-11, разработки Красноярского государственного технического университета и НИИ радиотехники, а также в [9, 10, 11].Methods for determining the orientation parameters of an object based on the use of phase measurements from antennas spaced at the object in the SNA PA are described in the description of the first domestic multi-antenna PA SNA MRK-11, developed by the Krasnoyarsk State Technical University and the Research Institute of Radio Engineering, as well as in [9, 10, eleven].
В известных схемах построения ИСОН, например, описанных в работах [12, 13] используется мультиантенная ПА СНС с фазовыми измерениями, обеспечивающая с определенной дискретностью автономную выработку параметров ориентации объекта. Эта задача, как известно, требует решения проблемы неоднозначности фазовых измерений.In the well-known schemes for constructing an ISON, for example, described in [12, 13], the multi-antenna PA SNA with phase measurements is used, which provides autonomous generation of object orientation parameters with a certain discreteness. This problem, as is known, requires solving the problem of ambiguity of phase measurements.
Известны различные способы решения данной проблемы [14]. Все они требуют одновременного наблюдения и обработки фазовых измерений от группировки навигационных спутников (HCi), достаточно сложного программного обеспечения.There are various ways to solve this problem [14]. All of them require simultaneous observation and processing of phase measurements from a constellation of navigation satellites (HC i ), a rather complicated software.
Совместная обработка данных БИИМ и ПА СНС в рассматриваемых схемах построения ИСОН производится на уровне параметров ориентации.Joint processing of BIIM and PA SNA data in the considered schemes for constructing ISON is performed at the level of orientation parameters.
Однако в ряде случаев проблема сравнительно низкого уровня точности современных инерциальных ММД (погрешности их масштабных коэффициентов находятся на уровне 1%) становится настолько острой, что без принятия специальных мер не удается достичь требуемого уровня точности решения задачи ориентации объекта в рамках построения общеизвестных схем ИСОН. В частности, для объектов с быстрым вращением вокруг продольной оси (1…20 Гц) остро встает проблема, связанная с погрешностью масштабного коэффициента гироскопа, стоящего по оси вращения. Для таких ОУ погрешность выработки ИСОН угла поворота вокруг оси вращения может быть недопустимо большой. Следствием этого может стать потеря управления объектом.However, in some cases, the problem of the relatively low level of accuracy of modern inertial MMDs (the errors of their scale factors are at the level of 1%) becomes so acute that without taking special measures it is not possible to achieve the required level of accuracy in solving the object orientation problem in the framework of constructing well-known ISON schemes. In particular, for objects with fast rotation around the longitudinal axis (1 ... 20 Hz), there is an acute problem associated with the error in the scale factor of the gyroscope standing along the axis of rotation. For such op-amps, the error in generating an ISON of the angle of rotation around the axis of rotation can be unacceptably large. The consequence of this may be the loss of control of the object.
Существуют способы, решающие эту проблему. Основные из них [15]:There are ways to solve this problem. The main ones [15]:
- изоляция БИИМ от вращения корпуса объекта вокруг продольной оси;- isolation of BIIM from rotation of the body of the object around the longitudinal axis;
- применение дополнительного одноосного гиростабилизатора по продольной оси;- the use of an additional uniaxial gyrostabilizer along the longitudinal axis;
- использование неинерциальных измерений (от магнитометров, фазовых измерений от ПА СНС и др.);- the use of non-inertial measurements (from magnetometers, phase measurements from PA SNA, etc.);
- использование принудительной прецессии объекта и оценка ее параметров по показаниям специально установленных акселерометров.- the use of forced precession of the object and the assessment of its parameters according to the testimony of specially installed accelerometers.
В рассмотренном на эту тему патенте [16] не в полной мере решается задача определения параметров ориентации для объектов с быстрым вращением вокруг продольной оси. Их реализация связана либо с необходимостью придания объекту требуемого движения, либо с необходимостью использования дополнительного набора независимых измерителей, предлагаемые алгоритмы обработки показаний которых не всегда обеспечивают требуемый уровень точности интегрированной системы.The patent [16] examined on this subject does not completely solve the problem of determining orientation parameters for objects with fast rotation around the longitudinal axis. Their implementation is associated either with the need to give the object the required movement, or with the need to use an additional set of independent meters, the proposed algorithms for processing the readings of which do not always provide the required level of accuracy of the integrated system.
Также известна [17] схема построения системы ориентации и навигации для объектов с быстрым вращением вокруг продольной оси, которая в своем составе может использовать также и БИИМ. Данная система обеспечивает решение задачи ориентации ОУ по углу и угловой скорости крена с привлечением фазовых измерений СНС на разнесенные по окружности в поперечной плоскости объекта четыре приемные антенны. При этом используется короткая антенная база менее длины волны, что исключает необходимость решения проблемы оценки неоднозначности фазовых измерений. Данная схема построения интегрированной системы выбрана в качестве прототипа.Also known [17] is the construction scheme of the orientation and navigation system for objects with fast rotation around the longitudinal axis, which in its composition can also use BIIM. This system provides a solution to the problem of OS orientation by the angle and angular velocity of the roll using phase measurements of the SNA to four receiving antennas spaced around the circumference in the transverse plane of the object. In this case, a short antenna base of less than a wavelength is used, which eliminates the need to solve the problem of assessing the ambiguity of phase measurements. This scheme of building an integrated system is selected as a prototype.
Перечень чертежейList of drawings
На фиг. 1а приведена блок-схема интегрированной системы, принимаемой в качестве прототипа, в состав которой кроме приемной аппаратуры СНС, согласно описанию патента, может быть включен для повышения точности малогабаритный бескарданный инерциальный измерительный модуль.In FIG. 1a shows a block diagram of an integrated system adopted as a prototype, in addition to receiving equipment of the SNA, according to the description of the patent, a small-sized gimballess inertial measuring module can be included to increase accuracy.
На фиг. 1б приведена схема расположения на объекте приемных антенн СНС, описанная в прототипе [17].In FIG. 1b shows the location scheme on the object of the receiving antennas of the SNA, described in the prototype [17].
На фиг. 2а и 2б изображены блок-схема предлагаемой ИСОН и схема расположения на объекте приемных антенн А0, A1, А2.In FIG. 2a and 2b show a block diagram of the proposed ISON and an arrangement of receiving antennas A0, A1, A2 at the site.
Фиг. 3 иллюстрирует интерферометрический принцип формирования фазовых измерений в ПА СНС на примере одной антенной базы.FIG. 3 illustrates the interferometric principle of the formation of phase measurements in the SNA PA using the example of a single antenna base.
Фиг. 4.1а, 4.1б характеризуют параметры траектории движения авиационного объекта в атмосфере Земли.FIG. 4.1a, 4.1b characterize the parameters of the trajectory of the aircraft in the Earth’s atmosphere.
Фиг. 4.2а…4.2ж иллюстрируют результаты моделирования в пакете MATLAB (Simulink) алгоритмов работы предлагаемой ИСОН, включающей БИИМ с измерительным блоком на «грубых» микромеханических гироскопах (ММГ) и акселерометрах (ММА) и три приемника СНС с тремя антеннами, размещенными на объекте согласно фиг. 2б. При этом отстояния антенн A1, А2 относительно опорной антенны А0 составляли, по оси Y - 0.3 м, по оси X - ±0.075 м.FIG. 4.2a ... 4.2g illustrate the simulation results in the MATLAB package (Simulink) of the algorithms of the proposed ISON, which includes the BIIM with a measuring unit on “rough” micromechanical gyroscopes (MMG) and accelerometers (MMA) and three SNA receivers with three antennas placed on the object according to FIG. 2b. In this case, the distances of the antennas A1, A2 relative to the reference antenna A0 were 0.3 m along the Y axis and ± 0.075 m along the X axis.
На фиг. 1а приняты следующие обозначения:In FIG. 1a, the following notation is accepted:
1 - приемная аппаратура спутниковых навигационных систем, включающая один спутниковый приемник и четыре (или более) антенны - A1, А2, A3, А4, разнесенные на соответствующих антенных базах, на выход которой поступают значения:1 - receiving equipment of satellite navigation systems, including one satellite receiver and four (or more) antennas - A1, A2, A3, A4, spaced on the corresponding antenna bases, the output of which receives the values:
- , - псевдодальность и псевдорадиальная скорость до i-го навигационного спутника HCi (первичные навигационные параметры) или , - вектора координат и линейной скорости объекта соответственно, приведенные к месту расположения опорной антенны (навигационное решение);- , - pseudorange and pseudoradial speed to the i-th navigation satellite HC i (primary navigation parameters) or , - vector coordinates and linear velocity of the object, respectively, reduced to the location of the reference antenna (navigation solution);
- φji - фазы сигнала несущей от HCi, принятого на j-й антенне;- φ ji is the phase of the carrier signal from HC i received at the j-th antenna;
- , - координаты или направляющие косинусы HCi в осях гринвичского навигационного трехгранника (эфемеридная информация);- , - coordinates or direction cosines of HC i in the axes of the Greenwich navigation trihedron (ephemeris information);
2 - блок акселерометров, входящий в состав измерительного блока (ИБ) бескарданного инерциального измерительного модуля;2 - a block of accelerometers, which is part of the measuring unit (IS) of a gimballess inertial measuring module;
3 - блок гироскопов ИБ БИИМ;3 - block gyroscopes IB BIIM;
4 - навигационный вычислитель БИИМ, вырабатывающий по данным микромеханических датчиков (блоков 2 и 3 акселерометров и гироскопов соответственно), значения следующих выходных параметров:4 - navigation calculator BIIM, generating according to the data of micromechanical sensors (
- K, ψ, θ - значения курса, тангажа и крена;- K, ψ, θ - heading, pitch and roll values;
- , - координаты и вектор линейной скорости объекта в месте расположения ИБ БИИМ;- , - the coordinates and the linear velocity vector of the object at the location of the IB BIIM;
5 - блок выработки первых разностей фаз ∇φji, (БВПРФ) сигналов HCi на несущей частоте, принятых на опорную и j-ю антенны, входящий в вычислитель интегрированной системы;5 - a block for generating the first phase differences ∇φ ji , (BVPRF) of HC i signals at the carrier frequency received at the reference and jth antennas included in the computer of the integrated system;
6 - блок комплексной обработки информации (БКОИ), входящий в вычислитель интегрированной системы, с фильтром типа фильтра Калмана, на выход которого поступают значения:6 - integrated information processing unit (BKOI), included in the computer of the integrated system, with a filter such as a Kalman filter, the output of which receives the values:
- , , - оценки погрешностей ориентации по углам курса, тангажа и крена;- , , - assessment of orientation errors in the corners of the course, pitch and roll;
- , - оценки погрешностей БИИМ по координатам и вектору линейной скорости объекта;- , - estimates of biomath errors by coordinates and linear velocity vector of an object;
7 - блок приема потребителем выходных параметров системы.7 - consumer receiving unit of the output parameters of the system.
На фигуре 1б приняты следующие обозначения:The figure 1b adopted the following notation:
100 - снаряд;100 - a shell;
115 - ось вращения;115 - axis of rotation;
120 - оконечное тело;120 - terminal body;
122 - окружность, по которой расположены антенны;122 is the circle along which the antennas are located;
123 - точка на оси вращения, относительно которой расположены антенны;123 is a point on the axis of rotation relative to which the antennas are located;
151…154 - четыре приемных антенны СНС;151 ... 154 - four receiving antennas of the SNA;
X, Y, Z - оси системы координат, связанной с оконечным телом.X, Y, Z - the axis of the coordinate system associated with the terminal body.
На фигуре 2а приняты следующие обозначения, отличные от обозначений фиг. 1а:In FIG. 2a, the following designations are adopted, other than the designations of FIG. 1a:
- в блоке 1: ПА СНС, включающая один спутниковый приемник (приемник №1) с тремя входами или три приемника (приемник №1, приемники №2 и 3, обозначены пунктиром), каждый из которых имеет один вход для подключения антенны, и три антенны: А0 - опорная, A1, А2 - разнесенные на соответствующих антенных базах;- in block 1: PA SNA, including one satellite receiver (receiver No. 1) with three inputs or three receivers (receiver No. 1, receivers No. 2 and 3, are indicated by a dotted line), each of which has one input for connecting the antenna, and three antennas: A0 - reference, A1, A2 - spaced on the corresponding antenna bases;
- в блоке 8: блок формирования разности расчетных и измеренных значений первых или вторых разностей фазовых измерений (БФРФИ), дополнительно входящий в вычислитель интегрированной системы, для двух антенных баз между опорной А0 приемной антенной СНС и отстоящими от нее A1, А2 антеннами - , ;- in block 8: a block for generating the difference between the calculated and measured values of the first or second phase measurement differences (BFRFI), additionally included in the calculator of the integrated system, for two antenna bases between the reference A0 receiving antenna of the SNA and the antennas A1, A2 separated from it - , ;
- в блоке 6 дополнительно введены выходы, с которых поступают значения:- in
- , - оценки погрешностей масштабных коэффициентов гироскопа и акселерометра, установленных по продольной оси объекта;- , - estimates of errors in the scale factors of the gyroscope and accelerometer installed along the longitudinal axis of the object;
- - оценки остаточной «скачкообразной» неоднозначности фазовых измерений.- - estimates of the residual “spasmodic” ambiguity of phase measurements.
На фиг. 2б приняты следующие обозначения:In FIG. 2b, the following notation is accepted:
А0, A1, А2 - опорная антенна и разнесенные на соответствующих антенных базах антенны;A0, A1, A2 - reference antenna and antennas spaced apart at respective antenna bases;
y0 - продольная ось объекта.y 0 is the longitudinal axis of the object.
На фиг. 3 приняты следующие обозначения:In FIG. 3 adopted the following notation:
Aj - j-я антенна ПА СНС;Aj is the jth antenna of the PA SNA;
А0 - опорная антенна ПА СНС;A0 - reference antenna PA SNA;
Ox0y0z0 - связанная с объектом система координат;Ox 0 y 0 z 0 - coordinate system associated with the object;
- трехмерный вектор, характеризующий отстояние в системе координат Ox0y0z0 j-ой антенны Aj относительно опорной А0; - a three-dimensional vector characterizing the distance in the coordinate system Ox 0 y 0 z 0 of the jth antenna Aj relative to the reference A0;
- направление орта на навигационный спутник (HCi) в точке приема; - direction of the unit vector to the navigation satellite (HC i ) at the receiving point;
βji - угол между j-й антенной базой и направлением на HCi.β ji is the angle between the jth antenna base and the direction to HC i .
На фиг. 4.1(а,б), 4.2(а,ж) приняты следующие обозначения:In FIG. 4.1 (a, b), 4.2 (a, g) the following notation is accepted:
nE, nN, nH - составляющие кажущегося ускорения (в географических осях (ENH), соответственно, [м/с2];nE, nN, nH - components of apparent acceleration (in geographic axes (ENH), respectively, [m / s 2 ];
- nhm - заданное кажущееся ускорение в географических осях, характеризующее движение объекта по траектории, [м/с2];- nh m - a given apparent acceleration in geographical axes, characterizing the movement of the object along the trajectory, [m / s 2 ];
- t - время, [с];- t is the time, [s];
VE, VN, VH - составляющие скорости движения объекта в географических осях (ENH), соответственно, [м/с];VE, VN, VH - components of the speed of the object in the geographical axes (ENH), respectively, [m / s];
- Vhm - заданная линейная скорость в географических осях, характеризующая движение объекта по траектории, [м/с];- Vh m - a given linear velocity in geographic axes, characterizing the movement of the object along the trajectory, [m / s];
-, Δψ, Δθ - погрешности ориентации по углам тангажа и крена (град);-, Δψ, Δθ - orientation errors in pitch and roll angles (degrees);
- ΔK - погрешность ориентации по курсу (град);- ΔK is the orientation error (degree);
- DMgi, DMai (i=x, y, z) - ошибки оценки погрешностей масштабных коэффициентов гироскопа и акселерометра, установленных по продольной оси объекта;- DMgi, DMai (i = x, y, z) - errors in estimating errors in the scale factors of the gyroscope and accelerometer installed along the longitudinal axis of the object;
- DDCf - ошибки оценки остаточной неоднозначности фазовых измерений.- DDCf - errors of estimation of residual ambiguity of phase measurements.
Измеренные разности фаз и навигационное решение от приемника ПА СНС 1 в прототипе (фиг. 1а) обрабатываются в фильтре Калмана (ФК), реализованном в блоке БКОИ 6 вычислителя интегрированной системы, с тем, чтобы получить информацию об угле и угловой скорости крена. Для получения исходной информации о фазе несущей используются разнесенные по окружности в поперечной плоскости объекта четыре приемные антенны СНС (фиг. 1б). При этом используется короткая антенная база (менее длины волны), что исключает необходимость предварительного решения проблемы оценки неоднозначности фазовых измерений.The measured phase differences and the navigation solution from the
Данные от несвязанных с СНС источников информации, например БИИМ, оптимально обрабатываются в вычислителе интегрированной системы с данными ПА СНС, чтобы обновить навигационное решение и иметь дополнительную информацию об углах курса и тангажа.Data from sources of information unrelated to the SNA, for example, BIIM, are optimally processed in an integrated system calculator with PA SNA data in order to update the navigation solution and have additional information about heading and pitch angles.
Интерферометрический принцип формирования фазовых измерений в ПА СНС (фиг. 3) предполагает, что сигналы от одного HCi в виде плоской волны поступают на две антенны. Обоснованность предположения о плоском характере волны объясняется значительной удаленностью источника сигнала по сравнению с длиной j-й антенной базы - .The interferometric principle of the formation of phase measurements in the SNA PA (Fig. 3) suggests that the signals from one HC i in the form of a plane wave arrive at two antennas. The validity of the assumption of the planar nature of the wave is explained by the significant remoteness of the signal source compared with the length of the jth antenna base .
Очевидно, что в единицах дальности полная разность фаз сигналов, принимаемых ПА СНС в точках размещения антенн Aj, А0 (фиг. 3) определяется какObviously, in units of range, the total phase difference of the signals received by the SNA PA at the locations of the antennas Aj, A0 (Fig. 3) is defined as
где ∇rji - разность дальностей ρji до HCi на антенной базе ,where ∇r ji is the distance difference ρ ji to HC i at the antenna base ,
λi - длина волны излучаемого HCi сигнала.λ i is the wavelength of the emitted HC i signal.
В общем случае, с учетом того факта, что длина антенной базы превышает длину волны, измерения первой разности фаз от HCi для j антенных баз (что представляет собой измеренное значение направляющего косинуса орта относительно антенной j-й базы .) можно представить в видеIn the general case, taking into account the fact that the length of the antenna base exceeds the wavelength, measurements of the first phase difference from HC i for j antenna bases (which is the measured value of the ortho directing cosine relative to the antenna of the j-th base .) can be represented as
где - погрешность измерения разности псевдодальностей, обусловленная в основном различной нестабильностью опорных генераторов двух приемников СНС, размещенных в точках приема; ηji - целое число длин волн, неоднозначность в фазовых измерениях; - флуктуационная (шумовая) составляющая измерений.Where - the error in measuring the difference of the pseudorange due mainly to the different instabilities of the reference generators of the two SNA receivers located at the receiving points; η ji - integer number of wavelengths, ambiguity in phase measurements; - fluctuation (noise) component of measurements.
В данном случае (в прототипе), когда используется один специализированный приемник с несколькими входами для подключения антенн и обеспечением синхронизации фазовых измерений от нескольких антенн, а также используется короткая антенная база (фиг. 1б), менее длины волны, выражение (2) можно записать в видеIn this case (in the prototype), when one specialized receiver is used with several inputs for connecting antennas and ensuring synchronization of phase measurements from several antennas, and also a short antenna base is used (Fig. 1b), less than the wavelength, expression (2) can be written as
Данные измерения формируются в вычислителе интегрированной системы по выходным данным ∇φji, блока БВПРФ 5 (фиг. 1а).The measurement data are generated in the calculator of the integrated system according to the output data ∇φ ji , block BVPRF 5 (Fig. 1A).
Располагая данными о декартовых координатах объекта от ПА СНС 1 или от БИИМ 4, корректируемого в блоке БКОИ 6 (фиг. 1а) по данным навигационного решения от СНС, и известными эфемеридами HCi (от ПА СНС 1) в гринвичской системе координат, в вычислителе интегрированной системы рассчитываются направляющие косинусы орта , соответственно,Having data on the Cartesian coordinates of the object from
в гринвичской и географической системах координат:in Greenwich and geographic coordinate systems:
где Ce,h_pr(λ,φ) - матрица перехода от гринвичских к географическим осям, как функция координат места объекта.where C e, h _ pr (λ, φ) is the transition matrix from Greenwich to geographic axes, as a function of the coordinates of the object’s location.
Значения направляющих косинусов вектора в связанных с объектом осях определяются как:Values guide cosines vector in the axes associated with the object, they are defined as:
где [xAj, yAj, zAj]T,
Для нахождения искомого решения в вычислителе интегрированной системы реализуется известное соотношение [14]:To find the desired solution in the calculator of the integrated system, the well-known relation [14] is implemented:
где Co,h(K,ψ,θ) - искомая матрица ориентации как функция углов K, ψ, θ.where C o, h (K, ψ, θ) is the desired orientation matrix as a function of angles K, ψ, θ.
Привлекая информацию об углах курса и тангажа, например от БИИМ, вычисляются текущие значения угла крена и угловой скорости крена. Данные БИИМ по углу крена здесь (в прототипе) могут использоваться в блоке БКОИ 6 для повышения точности и частоты выдачи угла крена, обеспечивая прогноз информации между фазовыми измерениями.Using information on heading and pitch angles, for example, from BIIM, the current values of the roll angle and the roll angular velocity are calculated. The BIIM data on the roll angle here (in the prototype) can be used in the
К недостаткам данной схемы построения интегрированной системы следует отнести:The disadvantages of this scheme for constructing an integrated system include:
- фазовые измерения используются только для выработки угла и угловой скорости по крену;- phase measurements are used only to generate the angle and angular velocity along the roll;
- погрешности по курсу в ряде приложений при длительном времени полета объекта могут достигать значительных величин;- course errors in a number of applications with a long flight time of an object can reach significant values;
- значительное число применяемых приемных антенн СНС.- a significant number of used SNA receiving antennas.
Задачей изобретения является:The objective of the invention is:
- использование фазовых измерений для повышения точности выработки углов курса и тангажа;- the use of phase measurements to improve the accuracy of the development of course angles and pitch;
- минимизация числа используемых приемных антенн СНС;- minimizing the number of used SNA receiving antennas;
- возможность использования стандартных приемников СНС с одним входом для подключения антенны при обеспечении непрерывного вычисления первых разностей фазовых измерений в условиях быстрого вращения объекта вокруг продольной оси.- the ability to use standard SNA receivers with one input for connecting the antenna while ensuring continuous calculation of the first differences in phase measurements under conditions of rapid rotation of the object around the longitudinal axis.
Техническим результатом изобретения является повышение точности выработки угла и угловой скорости крена, а также повышение помехоустойчивости устройства.The technical result of the invention is to increase the accuracy of the development of the angle and angular velocity of the roll, as well as improving the noise immunity of the device.
Поставленная задача решается тем, что:The problem is solved in that:
- на объекте устанавливаются по меньшей мере три приемные антенны СНС с одним специализированным приемником, имеющим три входа, или с тремя стандартными приемниками, каждый из которых имеет один вход для подключения антенны. При этом опорная антенна вместе с измерительным блоком БИИМ на микромеханических датчиках устанавливается в носовой части объекта по оси вращения, а две другие, с максимально возможным отстоянием по продольной оси от опорной антенны, расположены по окружности со смещением 180° в поперечной плоскости;- at least three SNA receiving antennas are installed at the facility with one specialized receiver having three inputs, or with three standard receivers, each of which has one input for connecting the antenna. In this case, the reference antenna together with the BIIM measuring unit on micromechanical sensors is installed in the bow of the object along the rotation axis, and the other two, with the maximum possible distance along the longitudinal axis from the reference antenna, are located around the circumference with an offset of 180 ° in the transverse plane;
- разностные фазовые измерения СНС используются для оценки погрешностей БИИМ как по углу крена, так и углам курса и тангажа, а также для оценки погрешностей масштабных коэффициентов гироскопов и акселерометров, в том числе установленных по продольной оси объекта, вокруг которой осуществляется быстрое вращение;- differential phase measurements of the SNA are used to estimate the biomath errors both in roll angle and in course and pitch angles, as well as to estimate errors in the scale factors of gyroscopes and accelerometers, including those installed along the longitudinal axis of the object around which rapid rotation is performed;
- исключение неоднозначности фазовых измерений ПА СНС для наблюдаемых HCi осуществляется с опорой на данные БИИМ.- the elimination of the ambiguity of the phase measurements of the PA SNA for the observed HC i is carried out based on the BIIM data.
Реализация данных решений и представляет собой основное отличие предлагаемого устройства от прототипа.The implementation of these solutions is the main difference between the proposed device from the prototype.
Отличие ПА СНС 1 (фиг. 2а) предлагаемой схемы построения ИСОН от прототипа заключается в использовании либо одного специализированного приемника, имеющего три входа для подключения антенн, либо трех стандартных приемников, каждый из которых имеет один вход для подключения антенны. При этом на объекте соответствующим образом (фиг. 2б) устанавливаются три антенны (одна - опорная устанавливается в носовой части объекта по оси вращения, а две другие, с максимально возможным отстоянием по продольной оси от опорной антенны расположены по окружности со смещением 180° в поперечной плоскости), причем опорная антенна вместе с измерительным блоком БИИМ размещается в носовой части объекта по оси вращения.The difference between PA SNA 1 (Fig. 2a) of the proposed ISON construction scheme from the prototype is to use either one specialized receiver having three inputs for connecting antennas, or three standard receivers, each of which has one input for connecting an antenna. At the same time, three antennas are installed on the object (Fig. 2b) (one - the support is installed in the bow of the object along the axis of rotation, and the other two, with the maximum possible distance along the longitudinal axis from the reference antenna, are located around the circumference with a shift of 180 ° in the transverse plane), and the reference antenna along with the measuring unit BIIM is located in the bow of the object along the axis of rotation.
Алгоритмическое обеспечение вычислителя БИИМ 4 (фиг. 2а) аналогично алгоритмам работы БИИМ прототипа 4 (фиг. 1а).Algorithmic software calculator BIIM 4 (Fig. 2A) is similar to the algorithms of BIIM prototype 4 (Fig. 1a).
Отличие блока БКОИ 6 (фиг. 2а) предлагаемой схемы построения ИСОН от прототипа заключается в том, что в его состав дополнительно введен блок БФРФИ 8 формирования разностей , расчетных и измеренных значений первых или вторых разностей фазовых измерений для двух антенных баз между опорной приемной антенной А0 и отстоящими от нее антеннами A1, А2. Выходные данные , которого поступают на дополнительный вход блока БКОИ 6.The difference between the block BKOI 6 (Fig. 2A) of the proposed scheme for constructing ISON from the prototype lies in the fact that it includes an additional block BFRFI 8 of the formation of differences , calculated and measured values of the first or second phase measurement differences for two antenna bases between the reference receiving antenna A0 and the antennas A1, A2 spaced from it. Output , which go to the additional input of the
При этом разности расчетных и измеренных значений первых разностей фазовых измерений (достаточно использования фазовых измерений от одного HCi) формируются в блоке БВПРФ 5 при использовании специализированного приемника СНС с тремя входами для подключения антенн. Разности расчетных и измеренных значений вторых разностей фазовых измерений (необходимо использовать фазовые измерения как минимум от двух HCi) формируются в блоке БФРФИ 8 при использовании в составе ПА СНС трех стандартных приемников, каждый из которых имеет один вход для подключения антенны.In this case, the differences between the calculated and measured values of the first differences in phase measurements (it is sufficient to use phase measurements from one HC i ) are formed in the
Алгоритмическое обеспечение блока БКОИ 6 вычислителя предлагаемой ИСОН представляет собой реализацию широко используемых алгоритмов фильтра Калмана, аналогичных используемым в прототипе.The algorithmic support of the
В качестве входных данных блока БКОИ 6 для решения задачи калмановской фильтрации используются следующие измерения:The following measurements are used as input data of the
- разность расчетных и измеренных ПА СНС значений либо первичных навигационных параметров (псевдодальностей и радиальных скоростей для каждого из наблюдаемых HCi), либо готовых навигационных решений (по составляющим векторов координатам места и линейной скорости объекта соответственно);- the difference between the calculated and measured PA SNA values or primary navigation parameters (pseudorange and radial speeds for each of the observed HC i ), or ready-made navigation solutions (based on the component coordinates of the location vector and linear velocity of the object respectively);
- разность , расчетных и измеренных ПА СНС значений первых или вторых разностей фазовых измерений для двух антенных баз.- difference , calculated and measured PA SNA values of the first or second differences of phase measurements for two antenna bases.
Выходными данными блока БКОИ 6 являются:The output of the
- , , - оценки погрешностей ориентации по углам курса, тангажа и крена;- , , - assessment of orientation errors in the corners of the course, pitch and roll;
- , - оценки погрешностей по координатам и вектору линейной скорости объекта;- , - estimates of errors in the coordinates and the linear velocity vector of the object;
- , - оценки погрешностей масштабных коэффициентов гироскопов и акселерометров, в том числе установленных и по продольной оси объекта;- , - estimates of errors in the scale factors of gyroscopes and accelerometers, including those established along the longitudinal axis of the object;
- - оценки остаточной «скачкообразной» неоднозначности фазовых измерений.- - estimates of the residual “spasmodic” ambiguity of phase measurements.
Использование дополнительных разностных фазовых измерений , , поступающих из блока БФРФИ 8 позволяет повысить точности выработки углов крена, курса и тангажа.Using additional differential phase measurements , coming from the BFRFI 8 block allows to increase the accuracy of the roll angle, course and pitch.
Кроме того, введены связи блока БФРФИ 8 с выходом блока БВПРФ 5 по текущим значениям ∇φji, первых разностей фаз сигналов HCi на несущей частоте, принятых на опорную и j-ю антенну, входами блока БКОИ 6 по данным от ПА СНС и БИИМ, и выходом блока БКОИ 6 по оценкам остаточной неоднозначности фазовых измерений, обеспечивающие его функционирование.In addition, the BFRFI 8 unit was connected with the output of the
Введена также дополнительная связь: выход блока БКОИ 6 по оценкам , погрешностей масштабных коэффициентов гироскопов и акселерометров, установленных в том числе и по продольной оси объекта, с соответствующим входом вычислителя БИИМ 4.An additional connection has also been introduced: the output of the
Отличия алгоритмического обеспечения вычислителя предлагаемой ИСОН от прототипа сводятся, прежде всего, к алгоритмическому обеспечению блока БФРФИ 8.The differences in the algorithmic support of the calculator of the proposed ISON from the prototype are reduced, first of all, to the algorithmic support of the BFRFI 8 block.
Входными данными блока БФРФИ 8 (фиг. 2а) являются:The input data block BFRFI 8 (Fig. 2A) are:
- измеренные по данным ПА СНС 1 значения первых разностей фаз сигналов HCi от блока БВПРФ 5;- the values of the first phase differences of the HC i signals from the
- значения координат или направляющих косинусов HCi от ПА СНС 1;- values of coordinates or guide cosines of HC i from
- значения координат места и вектора скорости движения объекта от вычислителя БИИМ 4;- values of the coordinates of the place and the velocity vector of the object from the
- значения углов курса, тангажа и крена объекта от вычислителя БИИМ 4;- the values of the angles of the course, pitch and roll of the object from the
- оценки остаточных неоднозначностей фазовых измерений от блока БКОИ 6;- evaluation of residual ambiguities of phase measurements from the
Выходными данными блока БФРФИ 8 являются:The output of the BFRFI 8 block is:
- разности расчетных и измеренных значений первых или вторых разностей фаз сигналов HCi , для двух антенных баз b1 и b2.- the difference between the calculated and measured values of the first or second phase differences of the signals HC i , for two antenna bases b1 and b2.
В дополнение к измеренным значениям направляющих косинусов орта относительно антенных баз , соответствующих согласно соотношению (2) текущим значениям ∇φji измеренных первых разностей фаз сигналов HCi, в блоке БФРФИ 8 (при использовании в составе ПА СНС нескольких приемников) формируются разности измеренных значений направляющих косинусов для пары HCi, соответствующие текущим значениям измеренных вторых разностей фаз сигналов HCi:In addition to the measured values ortho cosines regarding antenna bases corresponding, according to relation (2), to the current values ∇φ ji of the measured first phase differences of the HC i signals, in the BFRFI 8 block (when several receivers are used as part of the PA SNA), differences the measured values of the guide cosines for the pair HC i , corresponding to the current values of the measured second phase differences of the signals HC i :
Рассчитываются в блоке БФРФИ 8 приборные значения направляющих косинусов орта относительно антенных баз для тех же наблюдаемых HCi:The instrumental values of the ortho guiding cosines are calculated in the BFRFI block 8. regarding antenna bases for the same observed HC i :
где значения орта - вычисляются согласно соотношениям (4), (5); а матрица ориентации Co,h_pr - по значениям углов K, ψ, θ от вычислителя БИИМ 4.where are the values of orth - are calculated according to relations (4), (5); and the orientation matrix C o, h _ pr - according to the values of the angles K, ψ, θ from the
Формируются также (при использовании в составе ПА СНС 1 нескольких приемников) и расчетные значения для вторых разностей фаз сигналов HCi:The calculated values for the second phase differences of the HC i signals are also formed (when several receivers are used in the SNA PA 1):
Формирование вторых разностей фазовых измерений необходимо для исключения влияния расхождения шкал времени опорных генераторов приемников СНС 1, т.е. для исключения погрешности из измерений (2).The formation of the second phase measurement differences is necessary to eliminate the influence of the discrepancy in the time scales of the reference generators of the
Сравнивая расчетные и измеренные значения первых или вторых разностей фазовых измерений, формируются в блоке БФРФИ 8 разностные измерения:Comparing the calculated and measured values of the first or second differences of phase measurements, difference measurements are formed in the BFRFI 8 block:
- или (при использовании в составе ПА СНС 1 специализированного приемника с тремя входами)- or (when using a specialized receiver with three inputs in the PA SNA 1)
- или (при использовании в составе ПА СНС 1 нескольких приемников с одним входом)- or (when using several receivers with one input as part of the SNA PA 1)
Данные измерения содержат с соответствующими весами в основном погрешности решения БИИМ задачи ориентации объекта (погрешности ΔCo,h_pr матрицы ориентации, однозначно связанные с погрешностями аналитического построения географического сопровождающего трехгранника: α, β, γ; где α - погрешность по курсу, β, γ - погрешности построения вертикали места), которые включают погрешности ориентации антенной базы относительно связанных с объектом осей, погрешности знания координат места объекта и HCi, неоднозначности разностей фазовых измерений и шумы измерений, а также собственно шумы фазовых измерений ПА СНС.These measurements contain, with corresponding weights, mainly errors of the BIIM solution of the object orientation problem (errors ΔC o, h _ pr of the orientation matrix that are uniquely associated with errors in the analytical construction of the geographic accompanying trihedron: α, β, γ; where α is the error in the course, β, γ - errors in the construction of the vertical location), which include errors in the orientation of the antenna base relative to the axes associated with the object, the error in the knowledge of the coordinates of the object’s location and HC i , the ambiguity of the differences of the phase measurements and the measurement noise, as well as the noise of the phase measurements of the PA SNA.
Полагая погрешности БИИМ по навигационным параметрам и параметрам ориентации объекта достаточно малыми, что обеспечивается при начальной выставке БИИМ, допустима линеаризация измерений (11). При этом вклад погрешностей БИИМ в измерения (11) не превышает половины длины волны излучаемого HCi сигнала.Assuming that the biomass errors in navigation parameters and object orientation parameters are sufficiently small, which is ensured during the initial biomir measurements, the linearization of measurements is acceptable (11). In this case, the contribution of the BIIM errors to measurements (11) does not exceed half the wavelength of the emitted HC i signal.
Предварительная обработка разностных измерений (11) производится в блоке БФРФИ 8 (фиг. 2а) и заключается в исключении исходной неоднозначности фазовых измерений. Допустим, например, что в составе ПА СНС используется несколько приемников. Т.к. априори известно, что полезная информация вместе с шумами составляет менее одной длины волны излучаемого HCi сигнала в значениях приведенного измерения , то исключая целое число (ηi+1-ηi) из значения и оставляя его дробную часть , тем самым исключается из восстановленных измерений неоднозначность фазовых измерений до уровня . Остаточная неоднозначность фазовых измерений в пределах одной длины волны, как «скачкообразная» погрешность включается в число оцениваемых параметров.The preliminary processing of difference measurements (11) is performed in the BFRFI block 8 (Fig. 2a) and consists in eliminating the initial ambiguity of the phase measurements. Suppose, for example, that several receivers are used as part of a PA SNA. Because a priori it is known that useful information along with noise is less than one wavelength of the emitted HC i signal in the values of the given measurement , then excluding the integer (η i + 1 -η i ) from the value and leaving its fractional part , thereby excluded from the reconstructed measurements ambiguity of phase measurements to a level . The residual ambiguity of phase measurements within the same wavelength, as a “spasmodic” error is included in the number of estimated parameters.
Измерения вместе с известными [18] разностными измерениями по навигационным параметрам поступают на вход блока БКОИ 6 вычислителя интегрированной системы (фиг. 2а) для последующей обработки с использованием алгоритмов фильтра Калмана.Measurements together with the known [18] difference measurements with respect to navigation parameters, they are input to the
Оценки, выработанные в блоке БКОИ 6, поступают в обратную связь в вычислитель БИИМ 4 для коррекции погрешностей инерциального модуля в выработке параметров ориентации и навигационных параметров. А также для коррекции погрешностей масштабных коэффициентов гироскопа и акселерометра, установленных по продольной оси объекта. Это позволяет увеличить допустимый интервал времени работы ИСОН в автономном режиме на время «сбоев» ПА СНС 1. Кроме того, оценки остаточной неоднозначности фазовых измерений поступают на один из входов блока БФРФИ 8.The estimates worked out in the
Анализ точности предлагаемого решенияAnalysis of the accuracy of the proposed solution
Формирование измеренийMeasurement Formation
- Разностные навигационные измерения- Difference navigation measurements
Как и в прототипе при использовании в его составе БИИМ, формируются разностные измерения по навигационным параметрам:As in the prototype when using BIIM in its composition, differential measurements are formed by navigation parameters:
либо по псевдодальностям и радиальным скоростям для каждого из наблюдаемых HCi either by pseudo-range and radial speeds for each of the observed HC i
(, - измеренные ПА СНС 1 и , - расчетные по данным БИИМ и эфемеридной информации HCi значения), либо по координатам места и составляющим вектора линейной скорости объекта( , - measured
- Разностные фазовые измерения- Difference phase measurements
Для случая использования в составе ПА СНС нескольких приемников линеаризованные разностные измерения (11б) для двух антенных баз могут быть представлены в следующем виде:For the case of using several receivers in the PA SNA, linearized difference measurements (11b) for two antenna bases can be represented as follows:
гдеWhere
α, β, γ - погрешности (α - по курсу, β, γ - в построении вертикали места, характеризующих погрешности по углам тангажа и крена) задачи ориентации в построении географического трехгранника ENH, т.е. вычисления в БИИМ матрицы ориентации Co,h_pr; , , - направляющие косинусы вектора антенной базы в географических осях, т.е. элементы векторов ; sij, s(i+1)j, (j=E, N, H) - элементы орта (направляющие косинусы орта HCi относительно географических осей), формируемые согласно соотношениям (4), (5); ΔCf(i+1)-i - остаточная неоднозначность фазовых измерений в пределах одной длины волны; vzi - шумы измерений, включающие шумы измерений фазы несущей ПА СНС 1 и составляющие, обусловленные погрешностями знания координат места объекта и эфемеридной информации HCi, а также погрешностями привязки антенных баз к осям объекта.α, β, γ - errors (α - at the heading, β, γ - in the construction of the vertical of the place characterizing errors in the pitch and roll angles) of the orientation problem in the construction of the geographic trihedron ENH, i.e. calculations in BIIM orientation matrix C o, h _ pr ; , , - directing cosines of the antenna base vector in geographic axes, i.e. vectors elements ; s ij , s (i + 1) j , (j = E, N, H) - elements of the unit vector (directing cosines of the orth HC i relative to the geographic axes) formed according to the relations (4), (5); ΔCf (i + 1) -i is the residual ambiguity of phase measurements within the same wavelength; v zi are the measurement noise, including the measurement noise of the carrier phase of the
Следует заметить, что при вращении объекта из-за затенения HCi первые пол-оборота используются фазовые измерения для первой антенной базы , вторые пол-оборота - для второй .It should be noted that when the object rotates due to HC i shadowing, the first half-turn uses phase measurements for the first antenna base , the second half-turn - for the second .
Расчетная модель погрешностейCalculation model of errors
При формировании расчетной модели погрешностей ИСОН использовались следующие аппроксимации:In the formation of the computational model of ISON errors, the following approximations were used:
- смещения нулей ММГ и ММА , изменения систематических составляющих погрешностей масштабных коэффициентов ММГ ΔMgi и акселерометров ΔMai от запуска к запуску и их изменчивость в пуске были аппроксимированы (из-за отсутствия достоверных данных об их спектральном составе) соответствующими винеровскими процессами;- displacements of zeros of MMG and MMA , changes in the systematic components of the errors of the MMG scale factors ΔM gi and accelerometers ΔM ai from launch to launch and their variability in the launch were approximated (due to the lack of reliable data on their spectral composition) by the corresponding Wiener processes;
- погрешности δD, ПА СНС (смещения соответственно шкалы времени в единицах дальности и частоты опорного генератора в единицах радиальной скорости для опорной антенны в ПА СНС относительно данных HCi) были представлены расчетной моделью , , где коэффициент k2, характеризующий дрейф частоты опорного генератора, был аппроксимирован соответствующим винеровским процессом;- errors δD, PA SNA (offsets, respectively, of the time scale in units of range and frequency of the reference oscillator in units of radial velocity for the reference antenna in PA SNA relative to HC i data) were presented by the calculation model , where the coefficient k2, characterizing the frequency drift of the reference generator, was approximated by the corresponding Wiener process;
- погрешности ΔCf(i+1)-i были аппроксимированы также соответствующими винеровскими процессами;- the errors ΔCf (i + 1) -i were also approximated by the corresponding Wiener processes;
- шумы измерений vzi аппроксимированы дискретными белыми шумами с известными дисперсиями на частоте формирования измерений;- measurement noises v zi are approximated by discrete white noises with known variances at the measurement frequency;
- при формировании фазовых измерений используется одна пара HCi.- when forming phase measurements, one pair of HC i is used .
В этом случае расчетная модель погрешностей ИСОН будет иметь видIn this case, the calculated model of errors of ISON will have the form
гдеWhere
- вектор состояния системы,is the state vector of the system,
где ΔVE, ΔVN, ΔVH - погрешности в выработке составляющих вектора относительной линейной скорости объекта в проекциях на географические оси; Δφ, Δλ, Δh - погрешности выработки географических координат места (по широте, долготе и высоте); Фk+1/k - переходная на шаге Tz дискретности измерений матрица состояния системы; Гk+1≅Фk+1·dT - матрица, определяющая влияние вектора входных шумов wk с ковариациями Qk; Hk+1 - матрица измерений, соответствующая уравнениям (12) и (13); vk+1 - шумы измерений.where ΔV E , ΔV N , ΔV H are the errors in the development of the components of the vector of the relative linear velocity of the object in projections on the geographic axes; Δφ, Δλ, Δh - errors in the development of the geographical coordinates of the place (in latitude, longitude and height); Ф k + 1 / k is the transition matrix of the system state at the step T z of the measurement discreteness; Г k + 1 ≅ Ф k + 1 · dT - matrix that determines the influence of the input noise vector w k with covariances Q k ; H k + 1 is the measurement matrix corresponding to equations (12) and (13); v k + 1 - measurement noise.
Результаты имитационного моделирования алгоритмов работы ИСОН в пакете MATLAB (Simulink)The results of simulation of algorithms for the operation of ISON in the MATLAB package (Simulink)
Моделирование осуществлялось при следующих исходных данных:Modeling was carried out with the following initial data:
- характеристики Земли и гравитационного поля- characteristics of the Earth and the gravitational field
R=6378163 - средний экваториальный радиус Земли, (м);R = 6378163 - average equatorial radius of the Earth, (m);
Ue=7.2921151467·10-5, (рад/с); tgr0=0;U e = 7.2921151467 · 10 -5 , (rad / s); t gr0 = 0;
- ускорения от силы тяжести - - accelerations from gravity -
, ,
где g0=9.78049 - ускорение силы тяжести на экваторе земного эллипсоида (м/с2); β=0.005317 (безразмерная величина, имеет порядок малости α3); a, b - большая и малая полуоси эллипсоида вращения Земли; - квадрат первого эксцентриситета эллипсоида вращения Земли; α3=(a-b)/а - сжатие; а=6378136 (м); α3=1/298.25784 - параметры общеземного эллипсоида ПЗ-90;where g 0 = 9.78049 is the acceleration of gravity at the equator of the earth's ellipsoid (m / s 2 ); β = 0.005317 (dimensionless quantity, has the order of smallness α 3 ); a , b - major and minor semiaxis of the ellipsoid of rotation of the Earth; - the square of the first eccentricity of the ellipsoid of rotation of the Earth; α 3 = ( a -b) / a - compression; a = 6378136 (m); α 3 = 1 / 298.25784 - parameters of the all-terrestrial ellipsoid PZ-90;
Погрешности ММГ в проекциях на оси xbybzb ИБ:MMG errors in projections on the axis x b y b z b IS:
- ΔMgx, ΔMgy, ΔMgz - нестабильность масштабных коэффициентов ММГ - случайные величины с уровнем (1σ);- ΔMgx, ΔMgy, ΔMgz - instability of scale factors MMG - random variables with a level of (1σ);
- , , - систематические составляющие дрейфов ММГ в проекциях на оси xbybzb ИБ, которые характеризуют смещение нулей от пуска к пуску - случайные величины с уровнем (1σ);- , , - the systematic components of MMG drifts in projections on the axis x b y b z b IS, which characterize the shift of zeros from start to start - random variables with a level of (1σ);
- Δωxb, Δωyb, Δωzb - случайные составляющие дрейфов ММГ, которые характеризуют дрейф нуля в пуске - марковские процессы первого порядка σ1gi, µgi (i=xb, yb, zb);- Δω xb , Δω yb , Δω zb are the random components of MMG drifts that characterize the zero drift at start-up - first-order Markov processes σ1 gi , μ gi (i = x b , y b , z b );
- флуктуационные составляющие дрейфов ММГ в проекциях на оси ИБ - дискретные белые шумы на рабочей частоте σ2gi;- fluctuation components of MMG drifts in the projections on the IB axis - discrete white noise at the operating frequency σ2 gi ;
- αxy, αxz, αyx, αyz, αzx, αzy - погрешности ортогонализации осей чувствительности гироскопов - случайные величины с уровнем (1σ) 10 угл.с.;- α xy , α xz , α yx , α yz , α zx , α zy - orthogonalization errors of the sensitivity axes of gyroscopes - random variables with a level of (1σ) 10 arc.s .;
Погрешности линейных акселерометров в проекциях на оси xbybzb ИБ:Errors of linear accelerometers in projections on the axis x b y b z b IS:
- ΔMax, ΔMay, ΔMaz - нестабильность масштабных коэффициентов линейных акселерометров - случайные величины с уровнем (1σ);- ΔMax, ΔMay, ΔMaz - instability of the scale factors of linear accelerometers - random variables with a level of (1σ);
- , , - смещение нулей линейных акселерометров - случайные величины с уровнем (1σ);- , , - displacement of zeros of linear accelerometers - random variables with a level of (1σ);
- Δa xb, Δa yb, Δa zb - дрейфы нулей линейных акселерометров - марковские процессы первого порядка σ1ai, µai;- Δ a xb , Δ a yb , Δ a zb - drifts of zeros of linear accelerometers - Markov processes of the first order σ1 ai , μ ai ;
- флуктуационные составляющие погрешностей акселерометров в проекциях на оси xbybzb ИБ - дискретные белые шумы на рабочей частоте σ2ai.- fluctuation components of the errors of accelerometers in projections on the x b y b z b axis; IS - discrete white noises at the operating frequency σ2 ai .
ПА СНС:PA SNS:
- шумы измерений (1σ)- measurement noise (1σ)
- по координатам места - 10 (м);- according to the coordinates of the place - 10 (m);
- по составляющим вектора линейной скорости - 0.1 (м/с).- according to the components of the linear velocity vector - 0.1 (m / s).
Характеристики ИБ БИИМ на ММД:Characteristics of IS Biim on MMD:
- Модель погрешностей ММА- MMA error model
ΔМах=-1*1е-2; ΔMay=1*1е-2; Maz=1*1е-2;ΔM a x = -1 * 1e-2; ΔM a y = 1 * 1e-2; M a z = 1 * 1e-2;
σ1ai=0.01 (м/с2); µai=0.01 (с-1); σ2ai=0.02/sqrt(dt), (м/с2); (i=xb, yb, zb)σ1 ai = 0.01 (m / s 2 ); µ ai = 0.01 (s -1 ); σ2 ai = 0.02 / sqrt (dt), (m / s 2 ); (i = x b , y b , z b )
- Модель погрешностей гироскопов (ММГ)- Model of errors of gyroscopes (MMG)
ΔMgx=1*1е-2; ΔMgy=-1*1e-2; ΔMgz=1*1e-2;ΔMgx = 1 * 1e-2; ΔMgy = -1 * 1e-2; ΔMgz = 1 * 1e-2;
σ1gi=30*5е-6 (рад/с); µgi=0.01 (с-1); σ2gi=36*5e-6/sqrt(dt), (рад/с) или 0.01°/с/Гц½;(i=xb, yb, zb);σ1 gi = 30 * 5e-6 (rad / s); µ gi = 0.01 (s -1 ); σ2 gi = 36 * 5e-6 / sqrt (dt), (rad / s) or 0.01 ° / s / Hz½; (i = x b , y b , z b );
- погрешности начальной выставки БИИМ (t=0)- errors of the initial exhibition of BIIM (t = 0)
α0=-0.2°*pi/180; β0=0.1°*pi/180; γ0=-0.1°*pi/180;α 0 = -0.2 ° * pi / 180; β 0 = 0.1 ° * pi / 180; γ 0 = -0.1 ° * pi / 180;
ΔVE0=0.1 (м/с); ΔVN0=-0.1 (м/с); ΔVH0=0.1 (м/с);ΔV E0 = 0.1 (m / s); ΔV N0 = -0.1 (m / s); ΔV H0 = 0.1 (m / s);
Δφ0=3 м/R; Δλ0=-3м/(R*cos(fio*pi/180)); Δh0=3 м;Δφ 0 = 3 m / R; Δλ 0 = -3m / (R * cos (fio * pi / 180)); Δh 0 = 3 m;
Рабочие частоты при моделированииOperating frequencies for simulation
dt=0.001 с; - дискретность имитационного моделирования движения объекта по траектории (1 кГц);dt = 0.001 s; - discreteness of simulation modeling of the object along the trajectory (1 kHz);
dT=0.001 с - дискретность работы алгоритмов БИИМ (1 кГц);dT = 0.001 s - discreteness of operation of the BIIM algorithms (1 kHz);
dT1=dT - дискретность работы ковариационного канала ФК;dT1 = dT - discreteness of the covariance channel of the FC;
Tz=0.03 с - дискретность обработки измерений в ФК (дискретность данных СНС).Tz = 0.03 s is the discreteness of measurement processing in the FC (discreteness of the SNA data).
Параметры траектории движения объекта приведены на фигурах 4.1а и 4.1б.The parameters of the trajectory of the object are shown in figures 4.1a and 4.1b.
По параметрам ориентации объекта были приняты следующие условия движения:According to the orientation parameters of the object, the following traffic conditions were adopted:
- по курсу: K=Ko=90°;- at the rate: K = Ko = 90 °;
- по тангажу: изменение угла на траектории полета от +50° до -20°;- by pitch: change of angle on the flight path from + 50 ° to -20 °;
- по крену: вращение с постоянной угловой скоростью , при fθ=1 Гц, θ0=0°.- roll: rotation with constant angular velocity , at f θ = 1 Hz, θ 0 = 0 °.
Погрешности ИСОНErrors ISON
Погрешности выработки параметров ориентации без использования фазовых измерений приведены на фигурах 4.2а, 4.2б (на фиг. 4.2б приведен график фиг. 4.2а в укрупненном по времени масштабе на момент старта). Аналогичные погрешности, но с использованием фазовых измерений приведены на фиг. 4.2в, 4.2г (на фиг. 4.2г приведен график фиг. 4.2в в укрупненном по времени масштабе на момент старта). На фиг. 4.2д и 4.2е приведены ошибки оценки погрешностей масштабных коэффициентов ММД. На фиг. 4.2ж приведены ошибки оценки неоднозначности фазовых измерений.Errors in the generation of orientation parameters without using phase measurements are shown in figures 4.2a, 4.2b (Fig. 4.2b shows a graph of Fig. 4.2a in a time-magnified scale at the time of launch). Similar errors, but using phase measurements are shown in FIG. 4.2c, 4.2g (in Fig. 4.2g there is a graph of Fig. 4.2c in a time-enlarged scale at the time of launch). In FIG. 4.2e and 4.2e, errors in the estimation of errors in the scale coefficients of MMD are given. In FIG. 4.2g errors of estimation of the ambiguity of phase measurements are given.
Математическое моделирование и результаты решения задачи ориентации объекта в предлагаемой схеме построения ИСОН, приведенные на фиг. 4.2а-4.2ж, подтверждают эффективность данного решения. При этом предлагаемое решение допускает перерывы в поступлении данных от ПА СНС и позволяет эффективно обеспечивать отбраковку недостоверных измерений.Mathematical modeling and the results of solving the problem of orientation of the object in the proposed scheme for constructing ISON, shown in Fig. 4.2a-4.2zh, confirm the effectiveness of this solution. Moreover, the proposed solution allows for interruptions in the receipt of data from the PA SNA and allows you to effectively ensure the rejection of false measurements.
Список литературыBibliography
1. Гай Э. Наводящиеся снаряды с инерциальной навигационной системой на микромеханических датчиках, интегрированной с GPS // Гироскопия и навигация, 1998, №3(22), с. 72-81.1. Guy E. Guided shells with an inertial navigation system based on micromechanical sensors integrated with GPS // Gyroscopy and Navigation, 1998, No. 3 (22), p. 72-81.
2. Дишель В.Д., Быков А.К. и др. Анализ результатов первого летного испытания интегрированной инерциально-спутниковой системы навигации, ориентации и траекторного контроля ракеты-носителя и разгонного блока при выведении космического аппарата «Амос-2» на геостационарную орбиту // Гироскопия и навигация, 2004, №3 (46), с. 80.2. Dichelle V.D., Bykov A.K. et al. Analysis of the results of the first flight test of an integrated inertial-satellite navigation, orientation and trajectory control system of a launch vehicle and a booster during the launch of the Amos-2 spacecraft into geostationary orbit // Gyroscopy and Navigation, 2004, No. 3 (46) , from. 80.
3. В.A. Blazhnov, G.I. Yemeliantsev, D.A. Koshaev and other. A Tightly Coupled Integrated Inertial Satellite System of Attitude and Navigation. - 16th Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems, proceedings, 2009, pp. 182-190. ISBN 978-5-900780-69-6.3. B.A. Blazhnov, GI Yemeliantsev, DA Koshaev and other. A Tightly Coupled Integrated Inertial Satellite System of Attitude and Navigation. - 16 th Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems, proceedings, 2009, pp. 182-190. ISBN 978-5-900780-69-6.
4. Патент США №6417802.4. US Patent No. 6417802.
5. Патент США №6640189.5. US patent No. 6640189.
6. Патент РФ №2087867.6. RF patent No. 2087867.
7. Патент РФ №2233431.7. RF patent No. 2233431.
8. Патент РФ №2263282.8. RF patent No. 2263282.
9. Заявка РФ №98118543.9. RF application No. 98118543.
10. Патент РФ №2215299.10. RF patent No. 2215299.
11. Патент РФ №2276384.11. RF patent No. 2276384.
12. Интегрированная инерциально-спутниковая система ориентации и навигации с разнесенными антеннами // Сборник «Интегрированные инерциально-спутниковые системы навигации». - СПб: ЦНИИ «Электроприбор», 2001, с. 222-229.12. Integrated inertial-satellite orientation and navigation system with spaced antennas // Collection "Integrated inertial-satellite navigation systems". - St. Petersburg: Central Research Institute "Elektropribor", 2001, p. 222-229.
13. Интегрированная система спутниковой и инерциальной навигации: экспериментальные результаты и применение к управлению мобильными роботами // Гироскопия и навигация, 2007, №1 (56), с. 16-28.13. Integrated satellite and inertial navigation system: experimental results and application to the management of mobile robots // Gyroscopy and navigation, 2007, No. 1 (56), p. 16-28.
14. Степанов О.А., Кошаев Д.А. Исследование методов решения задачи ориентации с использованием спутниковых систем // Гироскопия и навигация, 1999, №2 (25), с. 30-55.14. Stepanov O.A., Koshayev D.A. The study of methods for solving the orientation problem using satellite systems // Gyroscopy and navigation, 1999, No. 2 (25), p. 30-55.
15. Водичева Л.В., Алиевская Е.Л., Кокщаров Е.А., Парышева Ю.В. Повышение точности определения угловой скорости быстровращающихся объектов. // Гироскопия и навигация, 2012, №1 (76), с. 27-41.15. Vodicheva L.V., Alievskaya E.L., Kokshcharov E.A., Parysheva Yu.V. Improving the accuracy of determining the angular velocity of rapidly rotating objects. // Gyroscopy and navigation, 2012, No. 1 (76), p. 27-41.
16. Патент США №6208936.16. US Patent No. 6208936.
17. Заявка № US 2010/0117894.17. Application No. US 2010/0117894.
18. Анучин О.Н., Емельянцев Г.И. Интегрированные системы ориентации и навигации для морских подвижных объектов / под общей ред. акад. РАН В.Г. Пешехонова, - СПб: ФГУП «ЦНИИ «Электроприбор», 2003, с. 389.18. Anuchin O.N., Emelyantsev G.I. Integrated Orientation and Navigation Systems for Marine Moving Objects / Ed. Acad. RAS V.G. Peshekhonova, - St. Petersburg: FSUE Central Research Institute Electropribor, 2003, p. 389.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014119461/28A RU2561003C1 (en) | 2014-05-14 | 2014-05-14 | Integrated orientation and navigation system for objects with fast rotation about longitudinal axis |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014119461/28A RU2561003C1 (en) | 2014-05-14 | 2014-05-14 | Integrated orientation and navigation system for objects with fast rotation about longitudinal axis |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2561003C1 true RU2561003C1 (en) | 2015-08-20 |
Family
ID=53880916
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2014119461/28A RU2561003C1 (en) | 2014-05-14 | 2014-05-14 | Integrated orientation and navigation system for objects with fast rotation about longitudinal axis |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2561003C1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU170644U1 (en) * | 2016-06-09 | 2017-05-03 | Акционерное общество "Военно-промышленная корпорация "Научно-производственное объединение машиностроения" | WING Rocket SATELLITE NAVIGATION SYSTEM |
RU2743048C1 (en) * | 2019-09-09 | 2021-02-15 | Борис Викторович Рыжков | Method for determining the relative position of navigation objects and a system for using this method |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7036097B1 (en) * | 2004-11-30 | 2006-04-25 | Alcan International Limited | Method for designing a cascade of digital filters for use in controling an electrolysis cell |
RU2277696C2 (en) * | 2004-04-21 | 2006-06-10 | Закрытое акционерное общество "Лазекс" | Integrated satellite inertial-navigational system |
RU2375680C1 (en) * | 2008-07-03 | 2009-12-10 | Открытое акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" | Integrated inertial-satellite orientation and navigation system for objects moving on ballistic trajectory with rotation around longitudinal axis |
-
2014
- 2014-05-14 RU RU2014119461/28A patent/RU2561003C1/en active IP Right Revival
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2277696C2 (en) * | 2004-04-21 | 2006-06-10 | Закрытое акционерное общество "Лазекс" | Integrated satellite inertial-navigational system |
US7036097B1 (en) * | 2004-11-30 | 2006-04-25 | Alcan International Limited | Method for designing a cascade of digital filters for use in controling an electrolysis cell |
RU2375680C1 (en) * | 2008-07-03 | 2009-12-10 | Открытое акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" | Integrated inertial-satellite orientation and navigation system for objects moving on ballistic trajectory with rotation around longitudinal axis |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Применение двухступенчатого субоптимального фильтра при решении задачи позиционирования. АФЕНКО К.А. и др. В кн: Навигация и управление летательными аппаратами/ Труды МИЭА, под. ред. А.Г.КУЗНЕЦОВА, выпуск N 2, 2010, с. 52-59, рис.7. СТЕПАНОВ О.А., КОШАЕВ Д.А. Исследование методов решения задачи ориентации с использованием спутниковых систем // Гироскопия и навигация. - 1999. - N2(25). - С.30-55. Экспериментальные результаты и применение к управлению мобильными роботами // Гироскопия и навигация. - 2007. - N1 (56), С.16-28. * |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU170644U1 (en) * | 2016-06-09 | 2017-05-03 | Акционерное общество "Военно-промышленная корпорация "Научно-производственное объединение машиностроения" | WING Rocket SATELLITE NAVIGATION SYSTEM |
RU2743048C1 (en) * | 2019-09-09 | 2021-02-15 | Борис Викторович Рыжков | Method for determining the relative position of navigation objects and a system for using this method |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US4405986A (en) | GSP/Doppler sensor velocity derived attitude reference system | |
US6496778B1 (en) | Real-time integrated vehicle positioning method and system with differential GPS | |
US6424914B1 (en) | Fully-coupled vehicle positioning method and system thereof | |
US7355549B2 (en) | Apparatus and method for carrier phase-based relative positioning | |
RU2375680C1 (en) | Integrated inertial-satellite orientation and navigation system for objects moving on ballistic trajectory with rotation around longitudinal axis | |
Korkishko et al. | Strapdown inertial navigation systems based on fiber-optic gyroscopes | |
RU2633703C1 (en) | Integrated inertial-satellite systems of orientation and navigation | |
Willi et al. | GNSS attitude determination with non-synchronized receivers and short baselines onboard a spacecraft | |
Mahmoud et al. | Integrated INS/GPS navigation system | |
Reddy et al. | Advanced navigation system for aircraft applications | |
RU2462690C1 (en) | Integrated inertial satellite system for orientation and navigation | |
RU2561003C1 (en) | Integrated orientation and navigation system for objects with fast rotation about longitudinal axis | |
Emel’yantsev et al. | Improving the accuracy of GPS compass for small-sized objects | |
US12013467B2 (en) | Positioning device, speed measuring device, and computer program product | |
Emel’yantsev et al. | Calibration of a precision SINS IMU and construction of IMU-bound orthogonal frame | |
RU2488137C2 (en) | Method for integrating direction finding signals of viewing object of inertial and radar discriminators and system for realising said method | |
Sollie et al. | Pose estimation of UAVs based on INS aided by two independent low-cost GNSS receivers | |
Kozorez et al. | Integrated navigation system for a space vehicle on a geostationary or highly elliptic orbit operating in the presence of active jam | |
Tran et al. | Heading Estimation for Autonomous Robot Using Dual-Antenna GPS | |
Lu et al. | Analysis and application of geometric dilution of precision based on altitude-assisted INS/SAR integrated navigation | |
Emel’yantsev et al. | Initial alignment of SINS measuring unit and estimation of its errors using satellite phase measurements | |
Emel’yantsev et al. | Specific features of constructing a dual-mode GNSS gyrocompass as a tightly-coupled integrated system | |
Dai et al. | Heading-determination using the sensor-fusion based maritime PNT Unit | |
Emel'Yantsev et al. | Tightly-coupled GNSS-aided inertial system with modulation rotation of two-antenna measurement unit | |
Krasil’shchikov et al. | High accuracy positioning of phase center of multifunction airborne radar antenna |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20160515 |
|
NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20170209 |
|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20180515 |
|
NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20200911 |