RU2594631C1 - Method of determining spatial orientation angles of aircraft and device therefor - Google Patents

Method of determining spatial orientation angles of aircraft and device therefor Download PDF

Info

Publication number
RU2594631C1
RU2594631C1 RU2015117475/28A RU2015117475A RU2594631C1 RU 2594631 C1 RU2594631 C1 RU 2594631C1 RU 2015117475/28 A RU2015117475/28 A RU 2015117475/28A RU 2015117475 A RU2015117475 A RU 2015117475A RU 2594631 C1 RU2594631 C1 RU 2594631C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
aircraft
linear
unit
input
determination unit
Prior art date
Application number
RU2015117475/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Виктор Федорович Заец
Владимир Сергеевич Кулабухов
Олег Николаевич Корсун
Николай Алексеевич Туктарев
Дмитрий Викторович Гришин
Original Assignee
Открытое акционерное общество Московский научно-производственный комплекс "Авионика" имени О.В. Успенского (ОАО МНПК "Авионика")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Открытое акционерное общество Московский научно-производственный комплекс "Авионика" имени О.В. Успенского (ОАО МНПК "Авионика") filed Critical Открытое акционерное общество Московский научно-производственный комплекс "Авионика" имени О.В. Успенского (ОАО МНПК "Авионика")
Priority to RU2015117475/28A priority Critical patent/RU2594631C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2594631C1 publication Critical patent/RU2594631C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Navigation (AREA)

Abstract

FIELD: instrument making.
SUBSTANCE: invention relates to instrument making of inertial navigation systems and can be used to determine angular orientation of aircraft of any type. Method comprises combined processing of measurements of overload sensors and measuring aircraft speed with a satellite navigation system (SNS) without angular velocity sensors. Angular velocity of aircraft is determined by parametric identification. Device implementing present method includes a unit of overload sensors, comprising three devices for measuring linear overloads, installed along longitudinal, transverse and vertical axes of aircraft, satellite navigation system, unit for determining linear accelerations, two integrators, unit for determining composite function, unit for generating matrix of guide cosines, minimising composite function, unit for determining angular velocities and unit for determining initial orientation angles, connected to each other in a certain manner.
EFFECT: technical result is simplification of method, reduced cost of its instrument implementation and high accuracy of determining angular orientation of object in absence of onboard devices for measuring angular velocities.
2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области приборостроения инерциальных навигационных систем, в частности к области построения датчиков угловых координат для систем автоматического управления движением, главным образом в качестве курсовертикали, и может использоваться для определения угловой ориентации летательных аппаратов любого типа. Техническим результатом является упрощение способа, снижение стоимости его приборной реализации и повышение точности определения угловой ориентации объекта.The invention relates to the field of instrumentation of inertial navigation systems, in particular to the field of constructing angular coordinate sensors for automatic motion control systems, mainly as a vertical line, and can be used to determine the angular orientation of any type of aircraft. The technical result is to simplify the method, reduce the cost of its instrument implementation and increase the accuracy of determining the angular orientation of the object.

Известны способ и устройство построения невозмущаемой безгироскопной вертикали, представленные в патенте RU № 2258907, МПК G01C 19/44, опубликованном 20.08.2005 г., принятые нами за соответствующие прототипы.A known method and device for constructing an undisturbed gyro-free vertical, presented in patent RU No. 2258907, IPC G01C 19/44, published on 08.20.2005, adopted by us for the corresponding prototypes.

Согласно указанному выше способу построения невозмущаемой безгироскопной вертикали подвижного объекта, включающему измерения текущих углов отклонения осей связанной системы координат от плоскости местного горизонта (вертикали) - тангажа и крена с помощью двух линейных горизонтальных акселерометров с продольной и поперечной ориентацией осей их чувствительности, возмущенных линейными ускорениями объекта, формирование оценок вышеупомянутых возмущающих линейных ускорений (северной и восточной составляющих αN и αЕ соответственно) осуществляют по данным спутникового навигационного приемника путем численного дифференцирования соответствующих скоростей или способом наименьших квадратов, пересчитывают эти составляющие в проекции αx и αy связанной системы координат с использованием курса от системы курсоуказания объекта и вводят непрерывно или дискретно коррекцию в возмущенные этими ускорениями измерения акселерометров, чем достигают построения невозмущаемой вертикали (углы тангажа ϑ и крена γ) по формулам для линейных акселерометров:According to the above method of constructing an undisturbed gyro-free vertical of a moving object, including measuring the current angles of deviation of the axes of the associated coordinate system from the plane of the local horizon (vertical) — pitch and roll using two linear horizontal accelerometers with longitudinal and transverse orientations of their sensitivity axes disturbed by linear accelerations of the object , the formation of the above evaluations perturbing linear acceleration (north and east components α N α, and E, respectively) wasps fected according to satellite navigation receiver by numerical differentiation of the respective velocity or the method of least squares, converted these components in the projection α x and α y related coordinate system using the rate of the system object heading indication and is introduced continuously or discretely correction perturbed by these accelerations sensed by accelerometers than achieve the construction of an unperturbed vertical (pitch angles ϑ and roll γ) according to the formulas for linear accelerometers:

Figure 00000001
Figure 00000001

Устройство построения невозмущаемой безгироскопной вертикали, реализующее данный способ? содержит систему курсоуказания, два линейных акселерометра с продольной и поперечной ориентацией осей их чувствительности, систему автоматического управления движением, приемник спутниковой навигации, осуществляющий формирование оценок линейных ускорений объекта, и вычислительный блок, например микрокомпьютер, в котором возмущаемые ускорениями объекта измерения текущих углов отклонения осей связанной системы координат и местной вертикали, полученные с помощью линейных акселерометров, непрерывно корректируются значениями этих ускорений от приемника спутниковой навигации и курсоуказателя.A device for constructing an unperturbed gyro-free vertical that implements this method? contains a heading system, two linear accelerometers with a longitudinal and transverse orientation of their sensitivity axes, an automatic motion control system, a satellite navigation receiver that generates estimates of the linear accelerations of the object, and a computing unit, for example, a microcomputer in which perturbed object’s accelerations measure current angles of deviation of the associated axes coordinate systems and local verticals obtained using linear accelerometers are continuously adjusted by the values of these roots from the satellite navigation receiver and heading indicator.

Однако описанный выше способ обладает сравнительно низкой точностью из-за необходимости восстановления ускорений путем дифференцирования составляющих земной скорости, измеренных спутниковой навигационной системой (СНС), что приводит к дополнительной погрешности измерения углов. Кроме того, исследования показывают слабую наблюдаемость в канале измерений крена и тангажа при отсутствии учета вертикальной скорости от СНС и отсутствии вертикального акселерометра.However, the method described above has relatively low accuracy due to the need to restore accelerations by differentiating the components of the earth's speed measured by the satellite navigation system (SNA), which leads to an additional error in the measurement of angles. In addition, studies show poor observability in the roll and pitch measurement channel in the absence of vertical velocity from the SNA and in the absence of a vertical accelerometer.

Целью предложенного изобретения является повышение точности, упрощение способа и снижение стоимости его реализации для определения угловой ориентации летательного аппарата при отсутствии бортовых измерителей угловых скоростей.The aim of the proposed invention is to increase accuracy, simplify the method and reduce the cost of its implementation to determine the angular orientation of the aircraft in the absence of airborne angular velocity meters.

Для достижения поставленной цели предлагается способ определения углов пространственной ориентации летательного аппарата (ЛА), включающий измерение линейных перегрузок вдоль продольной оси nx и поперечной оси nz ЛА, измерение проекций земной скорости на горизонтальную плоскость, согласно которому дополнительно измеряют проекцию земной скорости на вертикальную ось, нормальную перегрузку ny вдоль оси y ЛА, определяют линейные ускорения a x, a y, a z и далее, путем интегрирования ускорений, определяют линейные скорости Vx, Vy, Vz по осям связанной системы координат (СК), которые пересчитывают в нормальную земную СК, составляют функционал J из разности трех проекций земной скорости спутниковой навигационной системы (СНС) и трех составляющих земной скорости, полученных путем интегрирования линейных ускорений, с учетом дисперсий погрешностей R измерителя скорости определяют угловые скорости ЛА ωx, ωy, ωz методом параметрической идентификации, определяют начальные углы γ0, ϑ0, ψ0 ориентации ЛА по измеренным сигналам трех датчиков линейных перегрузок, определяют углы пространственной ориентации: крен γ, тангаж ϑ и угол рыскания ψ, интегрируя найденные угловые скорости, при этом в случае пропадания сигналов от СНС летательный аппарат переводят в горизонтальный полет с постоянной скоростью (установившийся режим полета) и углы крена и тангажа определяют по сигналам трех датчиков линейных перегрузок в режиме начальной выставки.To achieve this goal, we propose a method for determining the spatial orientation angles of an aircraft (LA), including measuring linear overloads along the longitudinal axis n x and the transverse axis n z of the aircraft, measuring the projections of the earth's velocity on a horizontal plane, according to which the projection of the earth's velocity on the vertical axis is additionally , normal overload n y along the aircraft axis y, determine linear accelerations a x , a y , a z and then, by integrating accelerations, determine linear speeds V x , V y , V z along the axes connected coordinate system (SK), which are recalculated into normal terrestrial SK, make up the functional J from the difference of the three projections of the earth speed of the satellite navigation system (SSS) and the three components of the earth velocity obtained by integrating linear accelerations, taking into account the variance of the error of the speed meter R, determine the angular aircraft velocity ω x, ω y, ω z parametrical identification method, determined initial angle γ 0, θ 0, ψ 0 LA orientation from the measured sensor signals of the three linear accelerations, angles determined space orientation: roll γ, pitch ϑ and yaw angle ψ, integrating the found angular velocities, in this case, if the signals from the SNA disappear, the aircraft is transferred to horizontal flight at a constant speed (steady state flight mode) and the roll and pitch angles are determined by the signals of three sensors linear overloads in the initial exhibition mode.

Устройство определения углов пространственной ориентации летательного аппарата, реализующее данный способ, включающее в себя блок датчиков перегрузок, содержащий два измерителя линейных перегрузок вдоль продольной оси nx и поперечной оси nz ЛА, и спутниковую навигационную систему (СНС), дополнительно содержит третий измеритель линейных перегрузок ny в составе блока датчиков перегрузок, расположенный вдоль вертикальной оси ЛА, последовательно соединенные блок определения линейных ускорений, первый интегратор, блок формирования матрицы направляющих косинусов, блок определения функционала, блок минимизации функционала и блок определения угловых скоростей, последовательно соединенные блок определения начальных углов ориентации и второй интегратор, выход блока датчиков перегрузок подключен к входу блока определения начальных углов ориентации и к первому входу блока определения линейных ускорений, второй вход которого соединен с первым выходом второго интегратора, а третий вход блока определения линейных ускорений является входом для сигнала, соответствующего значению ускорения свободного падения g, вторые входы первого интегратора и блока определения функционала соединены с выходом СНС, причем третий вход блока определения функционала является входом для сигналов, соответствующих значениям дисперсионной матрицы погрешностей измерения земных скоростей R, выход блока определения угловых скоростей подключен к третьему входу первого интегратора и к второму входу второго интегратора, второй выход которого подключен к второму входу блока формирования матрицы направляющих косинусов, а третий выход второго интегратора является выходом устройства.A device for determining the spatial orientation angles of an aircraft that implements this method, including a block of overload sensors, comprising two linear overload meters along the longitudinal axis n x and the transverse axis n z of the aircraft, and a satellite navigation system (SNA), further comprises a third linear overload meter n y as part of an overload sensor block located along the vertical axis of the aircraft, series-connected linear acceleration determination unit, first integrator, matrix generation unit s of directional cosines, a functional determination unit, a functional minimization unit and an angular velocity determination unit, a unit for determining initial orientation angles and a second integrator connected in series, an output of an overload sensor unit is connected to an input of an initial orientation angle determination unit and to a first input of a linear acceleration determination unit, second the input of which is connected to the first output of the second integrator, and the third input of the linear acceleration determination unit is an input for a signal corresponding to the acceleration of gravity g, the second inputs of the first integrator and the functional determination unit are connected to the SNA output, and the third input of the functional determination unit is an input for signals corresponding to the values of the dispersion matrix of the errors of measurement of ground velocities R, the output of the angular velocity determination unit is connected to the third input of the first integrator and to the second input of the second integrator, the second output of which is connected to the second input of the block forming the matrix of guide cosines, and the third output second integrator is the output device.

Сущность заявленного изобретения заключается в следующем. Предлагаемый способ оценивания углов тангажа, крена и рыскания в полете основан на совместной обработке измерений датчиков перегрузок и измерений скорости ЛА спутниковой навигационной системой.The essence of the claimed invention is as follows. The proposed method for estimating pitch, roll and yaw angles in flight is based on the joint processing of measurements of overload sensors and speed measurements of an aircraft by a satellite navigation system.

Рассмотрим математические модели, устанавливающие связи между различными параметрами полета. Проекции ускорений на оси связанной системы координат определяются следующими выражениями:Consider mathematical models that establish relationships between different flight parameters. The projections of accelerations on the axis of the associated coordinate system are determined by the following expressions:

Figure 00000002
Figure 00000002

где nx, ny, nz - проекции перегрузок на оси связанной системы координат, измеряемые датчиками перегрузок, установленными на борту ЛА;where n x , n y , n z are the projections of the overloads on the axis of the associated coordinate system, measured by the overload sensors installed on board the aircraft;

ϑ, γ - углы тангажа и крена, подлежащие оцениванию;ϑ, γ - pitch and roll angles to be evaluated;

g - ускорение свободного падения.g is the acceleration of gravity.

Проекции ускорений на оси связанной системы координат используют для нахождения линейных скоростей ЛА. Для этого необходимо решить систему дифференциальных уравненийProjections of accelerations on the axis of the associated coordinate system are used to find the linear speeds of the aircraft. To do this, it is necessary to solve the system of differential equations

Figure 00000003
Figure 00000003

где последние слагаемые в правых частях учитывают вращение осей связанной системы координат с угловыми скоростями ωx, ωy, ωz, измерения которых на борту ЛА отсутствуют. Начальные условия для дифференциальных уравнений (2) вычисляются по данным спутниковой навигационной системы.where the last terms in the right-hand sides take into account the rotation of the axes of the coupled coordinate system with angular velocities ω x , ω y , ω z , the measurements of which are absent on board the aircraft. The initial conditions for differential equations (2) are calculated according to the satellite navigation system.

Для нахождения оценок углов пространственной ориентации применим систему дифференциальных уравнений, на вход которых поступают угловые скорости ωx, ωy, ωz:To find the spatial orientation angles ratings apply the system of differential equations, the input of which receives the angular velocities ω x, ω y, ω z :

Figure 00000004
Figure 00000004

где ϑ, γ, ψ - углы тангажа, крена, рыскания.where ϑ, γ, ψ are the angles of pitch, roll, yaw.

Для использования выражений (2) и (5) необходимо ввести математическую модель, позволяющую восстановить отсутствующие измерения угловых скоростей. Рассмотрим скользящий интервал длительностью 0,1…1 с, пробегающий весь участок обработки полетных данных. Поскольку длительность интервала мала, аппроксимируем каждую угловую скорость прямолинейным отрезком:To use expressions (2) and (5), it is necessary to introduce a mathematical model that allows you to restore missing measurements of angular velocities. Consider a moving interval with a duration of 0.1 ... 1 s, running through the entire flight data processing section. Since the interval duration is short, we approximate each angular velocity by a straight line segment:

Figure 00000005
Figure 00000005

где t - время от начала скользящего интервала,where t is the time from the beginning of the moving interval,

C ω x

Figure 00000006
, C ω y
Figure 00000007
, C ω z
Figure 00000008
, K ω x
Figure 00000009
, K ω y
Figure 00000010
, K ω z
Figure 00000011
- величины угловых скоростей в начале скользящего интервала и коэффициенты, характеризующие углы наклона приращений угловых скоростей. C ω x
Figure 00000006
, C ω y
Figure 00000007
, C ω z
Figure 00000008
, K ω x
Figure 00000009
, K ω y
Figure 00000010
, K ω z
Figure 00000011
- values of angular velocities at the beginning of the sliding interval and coefficients characterizing the angles of inclination of increments of angular velocities.

Определение начального углового положения разделяется на два процесса: горизонтальная выставка (крен и тангаж) и азимутальная выставка (курс).The determination of the initial angular position is divided into two processes: horizontal exhibition (roll and pitch) and azimuthal exhibition (course).

Начальные значения углов пространственной ориентации γ0, ϑ0, ψ0, представляющие собой начальные условия для дифференциальных уравнений (3), определяют по сигналам трех датчиков линейных перегрузок.The initial values of the spatial orientation angles γ 0 , ϑ 0 , ψ 0 , which are the initial conditions for differential equations (3), are determined by the signals of three linear overload sensors.

Горизонтальную выставку осуществляют по сигналам трех акселерометров, измеряющих на неподвижном основании проекции ускорения силы тяжести на свои оси чувствительности в соответствии с выражением (1). В этом случае численные значения измерений акселерометров будут равны:The horizontal exhibition is carried out according to the signals of three accelerometers, measuring on a fixed base the projection of the acceleration of gravity on their axis of sensitivity in accordance with expression (1). In this case, the numerical values of the measurements of the accelerometers will be equal to:

a x=g sin ϑ, a x = g sin ϑ,

a y=-g cos ϑ cos γ, a y = -g cos ϑ cos γ,

a z=g cos ϑ sin γ. a z = g cos ϑ sin γ.

Из выражения следует, что углы крена и тангажа могут быть найдены на основании сигналов трех датчиков линейных перегрузок по формулам:From the expression it follows that the roll and pitch angles can be found based on the signals of three linear overload sensors according to the formulas:

Figure 00000012
Figure 00000012

С целью устранения влияния шумов измерений, присутствующих в выходных сигналах акселерометров, их предварительно усредняют на некотором промежутке времени.In order to eliminate the influence of measurement noise present in the output signals of accelerometers, they are preliminarily averaged over a certain period of time.

Выставку и дальнейшую коррекцию азимутального канала осуществляют по информации от датчика магнитного курса. При наличии информации о начальных координатах в соответствии с мировой моделью магнитного поля Земли находят значение магнитного склонения, которое учитывают при определении истинного курса из магнитного.The exhibition and further correction of the azimuth channel is carried out according to information from the magnetic course sensor. If there is information about the initial coordinates in accordance with the world model of the Earth’s magnetic field, the magnetic declination is found, which is taken into account when determining the true course from the magnetic.

Оценку неизвестных параметров C ω x

Figure 00000006
, C ω y
Figure 00000007
, C ω z
Figure 00000008
, K ω x
Figure 00000009
, K ω y
Figure 00000010
, K ω z
Figure 00000011
определяют методом параметрической идентификации.Estimation of unknown parameters C ω x
Figure 00000006
, C ω y
Figure 00000007
, C ω z
Figure 00000008
, K ω x
Figure 00000009
, K ω y
Figure 00000010
, K ω z
Figure 00000011
determined by parametric identification method.

При численном интегрировании уравнений (2) и (3) в них подставляют аппроксимации угловых скоростей на скользящем интервале (4).When numerically integrating equations (2) and (3), they substitute approximations of the angular velocities on the moving interval (4).

Бортовая СНС обеспечивает измерение трех проекций скорости ЛА на оси земной нормальной системы координат. Как известно, матрица направляющих косинусов (МНК), т.е. перехода от земной нормальной СК к связанной СК, имеет вид:The onboard SNA provides the measurement of three projections of the speed of an aircraft on the axis of the earth's normal coordinate system. As is known, the matrix of guide cosines (OLS), i.e. transition from terrestrial normal SC to associated SC, has the form:

Figure 00000013
Figure 00000013

Соответственно, для обратного перехода необходимо использовать транспонированную матрицу AT. Тогда начальные условия для уравнений (2), представляющие собой проекции скорости в связанной системе в начальный момент времени, определяют по следующему выражению:Accordingly, for the reverse transition, it is necessary to use the transposed matrix A T. Then the initial conditions for equations (2), which are projections of the velocity in a coupled system at the initial moment of time, are determined by the following expression:

Figure 00000014
Figure 00000014

где Vx_g0, Vy_g0, Vz_g0 - проекции скорости ЛА в земной нормальной системы координат в начальный момент времени.where V x_g0, V y_g0, V z_g0 - projection aircraft velocity in normal terrestrial coordinate system at the initial time.

Аналогично, проекции скоростей в связанной системе, рассчитанные согласно уравнениям (2), переводятся в земную нормальную систему по формулеSimilarly, the velocity projections in a coupled system, calculated according to equations (2), are translated into the Earth's normal system by the formula

Figure 00000015
Figure 00000015

где Vx_g, Vy_g, Vz_g - проекции скоростей ЛА, определенные путем интегрирования сигналов от датчиков перегрузок, на оси земной нормальной системы координат.where V x_g , V y_g , V z_g are the projections of the aircraft speeds, determined by integrating the signals from the overload sensors, on the axis of the earth's normal coordinate system.

Выражения (1)-(7) составляют модель объекта.Expressions (1) - (7) make up the model of the object.

Для получения модели наблюдений используем измеренные СНС проекции скорости ЛА в земной нормальной системе координат:To obtain the observation model, we use the measured SNA projections of the aircraft velocity in the Earth’s normal coordinate system:

Figure 00000016
Figure 00000016

Эти величины используем для формирования модели наблюдений, которая принимает вид:We use these quantities to form an observation model that takes the form:

Figure 00000017
Figure 00000017

где величины (9) принимаются в качестве элементов вектора наблюдений z ¯ ( t i )

Figure 00000018
,where quantities (9) are taken as elements of the observation vector z ¯ ( t i )
Figure 00000018
,

ξT(ti)=[ξx(tiy(tiz(ti)] - шум наблюдений, представляющий собой векторную нормальную случайную последовательность типа белого шума с нулевым математическим ожиданием и известной дисперсионной матрицей R(ti).ξ T (t i ) = [ξ x (t i ) ξ y (t i ) ξ z (t i )] is the observation noise, which is a vector normal random sequence such as white noise with zero mean and the known dispersion matrix R ( t i ).

Скорости в правых частях (10) определяют по модели объекта (1)-(7), в которые входят неизвестные величины угловых скоростей в начале скользящего интервала и коэффициенты, характеризующие углы наклона приращений угловых скоростейThe velocities in the right-hand sides of (10) are determined by the model of the object (1) - (7), which includes unknown values of the angular velocities at the beginning of the sliding interval and coefficients characterizing the inclination angles of the increments of angular velocities

Figure 00000019
Figure 00000019

Представленные выше модели объекта и наблюдений можно представить в следующей общей векторной форме:The above models of the object and observations can be represented in the following general vector form:

Figure 00000020
Figure 00000020

Figure 00000021
Figure 00000021

где y(t), u(t) - векторы выходных и входных сигналов размерности n и m соответственно,where y (t), u (t) are the vectors of output and input signals of dimensions n and m, respectively,

z(ti) - вектор наблюдений размерности r,z (t i ) is the observation vector of dimension r,

a - вектор неизвестных параметров, подлежащий идентификации, a is a vector of unknown parameters to be identified,

ξ(ti) - шум наблюдений, представляющий собой векторную нормальную случайную последовательность типа белого шума с нулевым математическим ожиданием и известной дисперсионной матрицей R(ti). Шумы наблюдений представляют собой нормальные и независимые случайные величины. Поэтому их совместная плотность распределения вероятностей равна произведению плотностей для каждого момента ti, i = 1, N ¯

Figure 00000022
ξ (t i ) is the observation noise, which is a vector normal random sequence such as white noise with zero mathematical expectation and the well-known dispersion matrix R (t i ). Observation noises are normal and independent random variables. Therefore, their joint probability distribution density is equal to the product of densities for each moment t i , i = one, N ¯
Figure 00000022

Известно, что максимум функции правдоподобия при указанных допущениях о свойствах шумов приводит к несмещенным и эффективным оценкам. Функционал максимума правдоподобия имеет следующий вид:It is known that the maximum likelihood function under the above assumptions about the properties of noise leads to unbiased and effective estimates. The maximum likelihood functional is as follows:

Figure 00000023
Figure 00000023

Несложно заметить, что (14) представляет собой функционал метода наименьших квадратов с матрицей весовых коэффициентов R(ti)-1. Таким образом, при указанных выше допущениях о свойствах шумов функционал максимума правдоподобия совпадает с взвешенным функционалом метода наименьших квадратов.It is easy to see that (14) is a functional of the least squares method with a matrix of weight coefficients R (t i ) -1 . Thus, under the above assumptions about the properties of noise, the maximum likelihood functional coincides with the weighted functional of the least squares method.

Для минимизации (14) используют одну из модификаций классического метода Ньютона:To minimize (14), one of the modifications of the classical Newton method is used:

Figure 00000024
Figure 00000024

где:Where:

Figure 00000025
Figure 00000025

Figure 00000026
Figure 00000026

Производные оценок прогноза определяют численно для моментов времени ti, i = 1, N ¯

Figure 00000022
по формулам:Derivatives of the forecast estimates are determined numerically for times t i , i = one, N ¯
Figure 00000022
according to the formulas:

Figure 00000027
Figure 00000027

где ej - вектор размерности p, все элементы которого равны нулю, за исключением j-го элемента, который равен 1; ε - малое число, обычно задаваемое на уровне 0,001…0,1% от номинального значения параметров.where e j is a vector of dimension p, all of whose elements are equal to zero, with the exception of the j-th element, which is equal to 1; ε is a small number, usually set at the level of 0.001 ... 0.1% of the nominal value of the parameters.

Оценки z(ti, a), i = 1, N ¯

Figure 00000022
определяют численным решением уравнений объекта и наблюдений при η(ti)=0. Идентификацию заканчивают по условию |a k+1-a k|<δ|a k|, где δ=0,005. При обработке в реальном масштабе времени целесообразно жестко задать число шагов, например пять, чтобы зафиксировать число итераций. Моделирование предложенного способа показало, что наименьшие погрешности оценивания углов ориентации имеют место в середине скользящего интервала, длительность которого составляет 0,1…1 с. При обработке участка полета произвольной длительности скользящий интервал перемещается по всему участку с малым шагом 0,01…0,125 с, а в качестве окончательных значений выбираются оценки углов и угловых скоростей, соответствующих середине скользящего интервала.Estimates z (t i , a ), i = one, N ¯
Figure 00000022
determined by numerical solution of the equations of the object and observations when η (t i ) = 0. Identification is completed by the condition | a k + 1 - a k | <δ | a k |, where δ = 0.005. When processing in real time, it is advisable to rigidly set the number of steps, for example, five, to fix the number of iterations. Modeling of the proposed method showed that the smallest errors in the estimation of orientation angles occur in the middle of the moving interval, the duration of which is 0.1 ... 1 s. When processing a flight section of arbitrary duration, the sliding interval moves over the entire section with a small step of 0.01 ... 0.125 s, and the final values are the estimates of the angles and angular velocities corresponding to the middle of the sliding interval.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства, реализующего данный способ определения углов пространственной ориентации.In FIG. 1 shows a structural diagram of a device that implements this method of determining the angles of spatial orientation.

Устройство содержит блок 1 датчиков перегрузок, спутниковую навигационную систему 2, блок 3 определения линейных ускорений, первый интегратор 4, блок 5 формирования матрицы направляющих косинусов, блок 6 определения функционала, блок 7 минимизации функционала, блок 8 определения угловых скоростей, блок 9 определения начальных углов ориентации, второй интегратор 10.The device comprises an overload sensor unit 1, a satellite navigation system 2, a linear acceleration determination unit 3, a first integrator 4, a guide cosine matrix generation unit 5, a functional determination unit 6, a functional minimization unit 7, an angular velocity determination unit 8, an initial angle determination unit 9 orientation, the second integrator 10.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. По сигналам от блока 1 датчиков перегрузок и по значениям углов ориентации от второго интегратора 10 с учетом константы g в блоке 3 определения ускорений определяют линейные ускорения a x, a y, a z согласно выражениям (1). С учетом начальных значений проекций скоростей в связанной системе координат от СНС по сигналам линейных ускорений от блока 3 и угловых скоростей от блока 8 определения угловых скоростей, с учетом начальных значений проекций скоростей от СНС 2, в первом интеграторе 4 определяют линейные скорости Vx, Vy, Vz. При этом интегрируют выражения системы (2). В блоке 5 формирования МНК скорости проецируют на земную нормальную систему координат, используя матрицу А (6). Сравнивая сигналы от СНС 2 и от блока 5 формирования МНК, в блоке 6 определения функционала, с учетом матрицы дисперсии R погрешности скоростей, находят функционал J согласно выражению (14). В блоке 7 минимизации функционала, минимизируя функционал J, идентифицируют неизвестные параметры C ω x

Figure 00000006
, C ω y
Figure 00000007
, C ω z
Figure 00000008
, K ω x
Figure 00000009
, K ω y
Figure 00000010
, K ω z
Figure 00000011
. Для идентификации используют модификацию классического метода Ньютона (15, 16, 17, 18). Идентификации заканчивается по условию |a k+1-a k|<δ|a k|, где δ=0,005. Используя идентифицированные параметры, в блоке 8 определения угловых скоростей определяют угловые скорости ωx, ωy, ωz. Во втором интеграторе 10, интегрируя выражение (3), используя найденные угловые скорости и начальные значения от блока 9 определения углов γ0, ϑ0, ψ0, согласно (5), определяют углы пространственной ориентации: крен γ, тангаж ϑ и угол рыскания ψ.The proposed device operates as follows. The signals from the block 1 of the overload sensors and the values of the orientation angles from the second integrator 10, taking into account the constant g in the block 3 of determining the accelerations determine linear accelerationsa x,a y, a z according to expressions (1). Given the initial values of the velocity projections in the associated coordinate system from the SNA according to linear acceleration signals from block 3 and the angular velocities from the block 8 for determining angular velocities, taking into account the initial values of the velocity projections from the SNA 2, linear velocities V are determined in the first integrator 4x, Vy, Vz. In this case, the expressions of system (2) are integrated. In block 5 of the formation of the least squares, the speeds are projected onto the Earth’s normal coordinate system using matrix A (6). Comparing the signals from the SNA 2 and from the block 5 of the formation of the least squares, in the block 6 determining the functional, taking into account the dispersion matrix R of the velocity error, find the functional J according to expression (14). In block 7 of minimizing the functional, minimizing the functional J, unknown parameters are identified C ω x
Figure 00000006
, C ω y
Figure 00000007
, C ω z
Figure 00000008
, K ω x
Figure 00000009
, K ω y
Figure 00000010
, K ω z
Figure 00000011
. For identification, a modification of the classical Newton method is used (15, 16, 17, 18). Identification ends by condition |a k + 1-a k| <δ |a k|, where δ = 0.005. Using the identified parameters, in block 8 determining the angular velocities determine the angular velocity ωx, ωy, ωz. In the second integrator 10, integrating expression (3), using the found angular velocities and initial values from block 9 for determining angles γ0, ϑ0, ψ0, according to (5), the spatial orientation angles are determined: roll γ, pitch ϑ and yaw angle ψ.

При пропадании сигналов от СНС летательный аппарат переводят в установившийся режим полета и углы крена и тангажа определяют по сигналам трех датчиков линейных перегрузок в режиме начальной выставки.If the signals from the SNA disappear, the aircraft is transferred to the steady-state flight mode and the roll and pitch angles are determined by the signals of three linear overload sensors in the initial exhibition mode.

Техническим результатом предложенного изобретения является повышение точности определения угловой ориентации объекта при отсутствии бортовых измерителей угловых скоростей.The technical result of the proposed invention is to increase the accuracy of determining the angular orientation of the object in the absence of airborne angular velocity meters.

Изобретение может быть использовано во всех типах летательных аппаратов. Для реализации могут быть использованы широко применяемые в ЛА акселерометры и спутниковые приемники. Блоки интегрирования и определения параметров могут быть реализованы на стандартных элементах ЭВМ.The invention can be used in all types of aircraft. For implementation, accelerometers and satellite receivers widely used in aircraft can be used. Integration and parameter determination blocks can be implemented on standard computer elements.

Claims (2)

1. Способ определения углов пространственной ориентации летательного аппарата (ЛА), включающий измерение линейных перегрузок вдоль продольной оси nx и поперечной оси nz ЛА, измерение проекций земной скорости на горизонтальную плоскость, отличающийся тем, что дополнительно измеряют проекцию земной скорости на вертикальную ось, нормальную перегрузку ny вдоль оси y ЛА, определяют линейные ускорения ax, ay, az и далее, путем интегрирования ускорений, определяют линейные скорости Vx, Vy, Vz по осям связанной системы координат (СК), которые пересчитывают в нормальную земную СК, составляют функционал J из разности трех проекций земной скорости спутниковой навигационной системы (СНС) и трех составляющих земной скорости, полученных путем интегрирования линейных ускорений, с учетом дисперсий погрешностей R измерителя скорости определяют угловые скорости ЛА ωx, ωy, ωz методом параметрической идентификации, определяют начальные углы γ0, ϑ0, ψ0 ориентации ЛА по измеренным сигналам трех датчиков линейных перегрузок, определяют углы пространственной ориентации: крен γ, тангаж ϑ и угол рыскания ψ, интегрируя найденные угловые скорости, при этом в случае пропадания сигналов от СНС летательный аппарат переводят в горизонтальный полет с постоянной скоростью (установившийся режим полета) и углы крена и тангажа определяют по сигналам трех датчиков линейных перегрузок в режиме начальной выставки.1. The method of determining the angles of the spatial orientation of the aircraft (LA), including measuring linear overloads along the longitudinal axis n x and the transverse axis n z of the aircraft, measuring the projections of the earth's speed on a horizontal plane, characterized in that they additionally measure the projection of the earth's speed on the vertical axis, normal overload n y along the y-axis of the aircraft, determine linear accelerations a x , a y , a z and then, by integrating accelerations, determine linear speeds V x , V y , V z along the axes of the associated coordinate system (SC), which are converted melt into a normal terrestrial SC, make up the functional J from the difference of the three projections of the terrestrial velocity of the satellite navigation system (SSS) and the three terrestrial velocity components obtained by integrating linear accelerations, taking into account the variance of the error of the speed meter determine the angular velocity of the aircraft ω x , ω y , ω z parametrical identification method, determined initial angle γ 0, θ 0, ψ 0 LA orientation from the measured sensor signals of the three linear accelerations are determined spatial orientation angles: γ roll, pitch p and the angle θ Scania ψ, the angular velocity by integrating results, while in the case of loss of signal from the SNA aircraft converted into horizontal flight at a constant rate (steady flight mode) and the angles of roll and pitch determined from the sensor signals of three linear accelerations in the initial alignment mode. 2. Устройство определения углов пространственной ориентации летательного аппарата (ЛА), включающее в себя блок датчиков перегрузок, содержащий два измерителя линейных перегрузок вдоль продольной оси nx и поперечной оси nz ЛА, и спутниковую навигационную систему (СНС), отличающееся тем, что оно дополнительно содержит третий измеритель линейных перегрузок ny в составе блока датчиков перегрузок, расположенный вдоль вертикальной оси ЛА, последовательно соединенные блок определения линейных ускорений, первый интегратор, блок формирования матрицы направляющих косинусов, блок определения функционала, блок минимизации функционала и блок определения угловых скоростей, последовательно соединенные блок определения начальных углов ориентации и второй интегратор, выход блока датчиков перегрузок подключен к входу блока определения начальных углов ориентации и к первому входу блока определения линейных ускорений, второй вход которого соединен с первым выходом второго интегратора, а третий вход блока определения линейных ускорений является входом для сигнала, соответствующего значению ускорения свободного падения g, вторые входы первого интегратора и блока определения функционала соединены с выходом СНС, причем третий вход блока определения функционала является входом для сигналов, соответствующих значениям дисперсионной матрицы погрешностей измерения земных скоростей R, выход блока определения угловых скоростей подключен к третьему входу первого интегратора и к второму входу второго интегратора, второй выход которого подключен к второму входу блока формирования матрицы направляющих косинусов, а третий выход второго интегратора является выходом устройства. 2. A device for determining the angles of spatial orientation of an aircraft (LA), including a block of overload sensors, containing two linear overload meters along the longitudinal axis n x and the transverse axis n z of the aircraft, and a satellite navigation system (SNA), characterized in that it further comprising a third linear meter overload n y in the composition overload sensor unit disposed along the aircraft vertical axis serially connected linear acceleration determining unit, a first integrator unit for forming ma direction cosines, functional determination unit, functional minimization unit and angular velocity determination unit, series-connected initial orientation angle determination unit and a second integrator, the output of the overload sensor unit is connected to the input of the initial orientation angle determination unit and to the first input of the linear acceleration determination unit, second the input of which is connected to the first output of the second integrator, and the third input of the linear acceleration determination unit is the input for the signal corresponding the beginning of the free fall acceleration g, the second inputs of the first integrator and the functional determination unit are connected to the SNA output, and the third input of the functional determination unit is an input for signals corresponding to the values of the dispersion matrix of the errors of measurement of ground velocities R, the output of the angular velocity determination unit is connected to the third input of the first integrator and to the second input of the second integrator, the second output of which is connected to the second input of the block forming the matrix of guide cosines, and the third to The output of the second integrator is the output of the device.
RU2015117475/28A 2015-05-08 2015-05-08 Method of determining spatial orientation angles of aircraft and device therefor RU2594631C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015117475/28A RU2594631C1 (en) 2015-05-08 2015-05-08 Method of determining spatial orientation angles of aircraft and device therefor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015117475/28A RU2594631C1 (en) 2015-05-08 2015-05-08 Method of determining spatial orientation angles of aircraft and device therefor

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2594631C1 true RU2594631C1 (en) 2016-08-20

Family

ID=56697385

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015117475/28A RU2594631C1 (en) 2015-05-08 2015-05-08 Method of determining spatial orientation angles of aircraft and device therefor

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2594631C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110823255A (en) * 2019-11-25 2020-02-21 西安爱生技术集团公司 System-level self-calibration method based on specific force observation without leveling and north-guiding
CN111208844A (en) * 2020-03-02 2020-05-29 中国人民解放军海军航空大学 Aircraft longitudinal overload nonlinear control method based on overload angular velocity

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2078367C1 (en) * 1993-09-01 1997-04-27 Санкт-Петербургская государственная академия аэрокосмического приборостроения Device for flight monitoring of flight information sensors (versions)
RU2256154C1 (en) * 2004-06-16 2005-07-10 Открытое акционерное общество Московский научно-производственный комплекс "Авионика" (ОАО МНПК "Авионика") Method for measurement of flight vehicle attitudes
RU2436047C1 (en) * 2010-09-17 2011-12-10 Александр Игоревич Клименко Processing method of aircraft movement information
RU2564379C1 (en) * 2014-05-16 2015-09-27 Открытое акционерное общество Московский научно-производственный комплекс "Авионика" имени О.В. Успенского (ОАО МНПК "Авионика") Platformless inertial attitude-and-heading reference

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2078367C1 (en) * 1993-09-01 1997-04-27 Санкт-Петербургская государственная академия аэрокосмического приборостроения Device for flight monitoring of flight information sensors (versions)
RU2256154C1 (en) * 2004-06-16 2005-07-10 Открытое акционерное общество Московский научно-производственный комплекс "Авионика" (ОАО МНПК "Авионика") Method for measurement of flight vehicle attitudes
RU2436047C1 (en) * 2010-09-17 2011-12-10 Александр Игоревич Клименко Processing method of aircraft movement information
RU2564379C1 (en) * 2014-05-16 2015-09-27 Открытое акционерное общество Московский научно-производственный комплекс "Авионика" имени О.В. Успенского (ОАО МНПК "Авионика") Platformless inertial attitude-and-heading reference

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110823255A (en) * 2019-11-25 2020-02-21 西安爱生技术集团公司 System-level self-calibration method based on specific force observation without leveling and north-guiding
CN110823255B (en) * 2019-11-25 2023-04-14 西安爱生技术集团公司 System-level self-calibration method without leveling and north-guiding based on specific force observation
CN111208844A (en) * 2020-03-02 2020-05-29 中国人民解放军海军航空大学 Aircraft longitudinal overload nonlinear control method based on overload angular velocity
CN111208844B (en) * 2020-03-02 2023-06-23 中国人民解放军海军航空大学 Aircraft longitudinal overload nonlinear control method based on overload angular speed

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109000642A (en) A kind of improved strong tracking volume Kalman filtering Combinated navigation method
RU2487419C1 (en) System for complex processing of information of radio navigation and self-contained navigation equipment for determining real values of aircraft navigation parameters
CN111221018B (en) GNSS multi-source information fusion navigation method for inhibiting marine multipath
CN110095800A (en) A kind of self-adapted tolerance federated filter Combinated navigation method of multi-source fusion
CN102353378B (en) Adaptive federal filtering method of vector-form information distribution coefficients
CN110849360B (en) Distributed relative navigation method for multi-machine collaborative formation flight
RU2539140C1 (en) Integrated strapdown system of navigation of average accuracy for unmanned aerial vehicle
Berman et al. The role of dead reckoning and inertial sensors in future general aviation navigation
RU2647205C2 (en) Adaptive strap down inertial attitude-and-heading reference system
CN102937450A (en) Relative attitude determining method based on gyroscope metrical information
CN108981709A (en) Quadrotor roll angle, the fault-tolerant estimation method of pitch angle based on moment model auxiliary
Bao et al. Barometer measurement error modeling and correction for UAH altitude tracking
CN109764870A (en) Carrier initial heading evaluation method based on transformation estimator modeling scheme
RU2589495C1 (en) Method of determining spatial orientation angles of aircraft and device therefor
Mahmoud et al. Integrated INS/GPS navigation system
Pan et al. Real-time accurate odometer velocity estimation aided by accelerometers
RU2564379C1 (en) Platformless inertial attitude-and-heading reference
RU2594631C1 (en) Method of determining spatial orientation angles of aircraft and device therefor
Lyu et al. A factor graph optimization method for high-precision IMU based navigation system
Zhao et al. Comparison of initial alignment methods for SINS
RU2661446C1 (en) Method of determining navigation parameters of object and strapdown inertial navigation system for implementation of method
Ercan et al. Multi-sensor data fusion of DCM based orientation estimation for land vehicles
RU2654964C1 (en) Method for determining of adjustment corrections in the strap down inertial navigation system
RU2646954C2 (en) Correction method of strap down inertial navigation system
RU2697859C1 (en) Method for determining location of a ground mobile object