RU2644632C1 - Small-sized navigational complex - Google Patents
Small-sized navigational complex Download PDFInfo
- Publication number
- RU2644632C1 RU2644632C1 RU2016143330A RU2016143330A RU2644632C1 RU 2644632 C1 RU2644632 C1 RU 2644632C1 RU 2016143330 A RU2016143330 A RU 2016143330A RU 2016143330 A RU2016143330 A RU 2016143330A RU 2644632 C1 RU2644632 C1 RU 2644632C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- output
- navigation
- unit
- input
- aircraft
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
- G01C23/00—Combined instruments indicating more than one navigational value, e.g. for aircraft; Combined measuring devices for measuring two or more variables of movement, e.g. distance, speed or acceleration
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Navigation (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области навигации летательных аппаратов (ЛА) с использованием комплексного способа навигации, функционально объединяющего инерциальный способ навигации, спутниковый способ навигации и воздушно-скоростной способ навигации, а также к навигационным приборам для контроля и управления летательными аппаратами.The invention relates to the field of navigation of aircraft (LA) using an integrated navigation method that functionally combines an inertial navigation method, a satellite navigation method and an air-speed navigation method, as well as navigation devices for monitoring and controlling aircraft.
Известна малогабаритная бесплатформенная инерциальная навигационная система (БИНС) средней точности, корректируемая от системы воздушных сигналов, описанная патенте №2502049, опубл. 20.12.2013, бюл. №35, принятая за прототип.Known small-sized strapdown inertial navigation system (SINS) of medium accuracy, adjustable from the air signal system, described in patent No. 2502049, publ. 12/20/2013, bull. No. 35, adopted as a prototype.
Система содержит, в частности, блок чувствительных элементов (ЧЭ) средней точности, состоящий из трех акселерометров и трех датчиков угловой скорости по трем ортогональным осям, две вычислительные платформы, систему воздушных сигналов, блок определения ошибки курса, блок определения скорости ветра, связанный с системой спутниковой навигации.The system contains, in particular, a block of sensitive elements (CE) of medium accuracy, consisting of three accelerometers and three angular velocity sensors along three orthogonal axes, two computing platforms, an airborne signal system, a heading error detection unit, and a wind speed determining unit associated with the system satellite navigation.
БИНС средней точности реализуют две вычислительные навигационные платформы, каждая из которых имеет свой закон управления (демпфирование инерциальных ошибок), зависящий от параметров движения носителя, а именно от составляющих горизонтальных ускорений носителя. При этом первая платформа обеспечивает счисление углов тангажа и крена носителя, тогда как вторая - угла курса и счисление проекций скоростей носителя и его географических координат с учетом предварительно определенных и сохраненных оценок скорости ветра и его направления. Каждая из платформ имеет свой закон управления. Одна из них является традиционной невозмущаемой вычислительной платформой, но с демпфированием по собственным ускорениям. Вторая осуществляет демпфирование ошибок по разности показаний скоростей измеряемых инерциальной навигационной системой ИНС и системой воздушных сигналов (СВС). При этом предварительно при наличии сигналов СНС определяют ошибку не выставки ИНС в азимуте, скорость и направление ветра.Medium-precision SINSs are implemented by two computational navigation platforms, each of which has its own control law (damping of inertial errors), which depends on the parameters of the carrier motion, namely, on the components of the horizontal accelerations of the carrier. In this case, the first platform provides the calculation of the pitch and roll angles of the carrier, while the second - the course angle and the projection of the projections of the carrier speeds and its geographical coordinates, taking into account predefined and saved estimates of the wind speed and its direction. Each platform has its own control law. One of them is a traditional unperturbed computing platform, but with its own acceleration damping. The second performs error damping by the difference in the speed readings measured by the INS inertial navigation system and the air signal system (SHS). In this case, preliminary, in the presence of SNA signals, the error of not showing the ANN in azimuth, the speed and direction of the wind are determined.
В известном изобретении недостаточно уделено внимание вопросам достоверности информации и надежности малогабаритного навигационного комплекса (МНК). Опыт эксплуатации СНС показывает, что на практике инерциально-спутниковые комплексы используют недостоверную информацию от приемников СНС и, как результат, происходит сбой в работе комплекса. Следует отметить, что определение курса ЛА по сигналам СНС и СВС дает не достаточно высокую точность, что обуславливает появление дополнительной погрешности при счислении координат ЛА. Отказ навигационного комплекса или источников питания приводит к потери всех навигационных измерений.In the known invention, insufficient attention has been paid to questions of the reliability of information and the reliability of a small navigation complex (MNC). The operating experience of the SNA shows that in practice inertial-satellite complexes use inaccurate information from the SNA receivers and, as a result, the complex malfunctions. It should be noted that determining the course of an aircraft by the signals of the SNA and SHS does not give a sufficiently high accuracy, which leads to the appearance of an additional error when calculating the coordinates of the aircraft. Failure of the navigation system or power sources leads to the loss of all navigation measurements.
Целью заявляемого изобретения есть расширение функциональных возможностей, повышение надежности работы и повышение точности определения навигационных параметров в случае пропадания сигналов от приемника СНС.The aim of the invention is to expand the functionality, increase the reliability and improve the accuracy of determining navigation parameters in the event of loss of signals from the receiver of the SNA.
Поставленная цель достигается путем использования МНК, содержащего интегрированный блок датчиков (ИБД), систему воздушных сигналов (СВС), вычислительный блок и приемник спутниковой навигационной системы (ПСНС), в который дополнительно введены трехкомпонентный магнитометрический датчик (ТМД), концевой выключатель обжатия стойки шасси, блок определения достоверности сигналов СНС, блок определения коэффициентов девиации (БОКД), блок определения курса (БОК) ЛА, блок резервной навигации (БРН), блок адаптации к турбулентности (БАТ), второй выход ПСНС, выход ИБД и первый выход СВС подключены к первым вторым и третьим входам вычислительного блока, второй выход ПСНС подключен к входу блока определения достоверности сигналов СНС, к четвертому входу вычислительного блока подключены последовательно соединенные ТМД и БОКД, к пятому входу вычислительного блока подключен первый выход БРН, к шестому входу вычислительного блока подключены последовательно соединенные БОК, концевой выключатель обжатия стойки шасси, вход которого соединен с первый выходом ПСНС, к седьмому входу подключен выход блока определения достоверности сигналов СНС, ко второму выходу СВС подключены последовательно соединенные БАТ и БРН, ко второму выходу БОКД подключен второй вход БРН, выходом МНК в основном и альтернативном режимах является выход вычислительного блока, в резервном режиме - второй выход БРН.This goal is achieved through the use of MNCs containing an integrated sensor unit (IDB), an airborne signal system (AHS), a computing unit and a satellite navigation system (PSNS) receiver, in which a three-component magnetometric sensor (TMD), a landing gear compression limit switch, a unit for determining the reliability of SNA signals, a unit for determining deviation coefficients (BOKD), a unit for determining the course (BOK) of an aircraft, a backup navigation unit (BRN), a turbulence adaptation unit (BAP), a second output d PSNS, the output of the IDB and the first output of the SHS are connected to the first second and third inputs of the computing unit, the second output of the PSNS is connected to the input of the unit for determining the reliability of the SNA signals, the series-connected TMD and BOKD are connected to the fourth input of the computing unit, the first is connected to the fifth input of the computing unit BRN output, sequentially connected BOK connected to the sixth input of the computing unit, the landing gear compression end switch, the input of which is connected to the first PSNS output, connected to the seventh input the output of the unit for determining the reliability of the SNA signals, series-connected BAT and BRN are connected to the second output of the SHS, the second input of the BRN is connected to the second output of the BOKD, the output of the OLS in the main and alternative modes is the output of the computing unit, in standby mode - the second output of the BRN.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена структурная схема заявляемого устройства.The invention is illustrated in the drawing, which presents a structural diagram of the inventive device.
Устройство содержит приемник 1 спутниковой навигационной системы (ПСНС), интегрированный блок 2 датчиков, система 3 воздушных сигналов, трехкомпонентный магнитометрический датчик 4, концевой выключатель 5 обжатия стойки шасси, блок 6 определения достоверности сигналов СНС, вычислительный блок 7, блок 8 определения коэффициентов девиации МД, блок 9 определения курса (БОК) ЛА, блок 10 резервной навигации (БРН), блок 11 адаптации к турбулентности (БАТ).The device contains a
Выходными сигналами устройства являются углы пространственной ориентации ЛА, составляющие скорости от СНС и геодезические широта, долгота и высота. Ниже приведено описание работы МНК.The output signals of the device are the angles of the spatial orientation of the aircraft, components of the speed of the SNA and geodetic latitude, longitude and altitude. The following is a description of the operation of MNCs.
В блоке 9 определения курса на этапе руления и разбега осуществляют определение путевого угла ЛА по сигналам СНС. Измеренный путевой угол до момента отрыва ЛА от ВПП является истинным курсом ЛА, по которому выставляют начальный курс ЛА:In
где WN и WE - земные скорости ЛА в направлении северного меридиана и восточной параллели, получаемые от СНС.where W N and W E are the ground speeds of the aircraft in the direction of the northern meridian and eastern parallel, obtained from the SNA.
Момент отрыва ЛА от ВПП фиксируется концевым выключателем обжатия стойки шасси 5, которая дает команду на фиксирование значения курса ЛА.The moment of separation of the aircraft from the runway is fixed by the limit switch of compression of the
После набора высоты совершают полный круг над аэродромом или в заданной зоне, где отсутствуют магнитные аномалии, с постоянным углом крена, в процессе которого в блоке 8 определения коэффициентов девиации МД запоминаются значения измеренного магнитного курса при помощи ТМД 4 от . Используя полученные измерения, определяют коэффициенты магнитной девиации магнитометрического датчика. Определение коэффициентов девиации, представляющих собой шесть параметров Пуассона, осуществляют способом, приведенным в работе [1]. При этом используют упрощенную модель, которая позволяет учесть влияние второй по значимости четвертной девиации на ошибку определения магнитного курса.After climbing, a complete circle is made over the airfield or in a predetermined area where there are no magnetic anomalies with a constant roll angle, during which, in
Упрощенные уравнения ПуассонаSimplified Poisson Equations
гдеWhere
Коэффициенты p, q, r учитывают магнитное поле твердого в магнитном отношении железа, образующего постоянное магнитное поле ЛА и сохраняющего свой магнетизм за счет большой коэрцитивной силы. Коэффициенты a, b, d, e учитывают магнитное поле мягкого в магнитном отношении железа ЛА, образующего переменное магнитное поле, зависящее от курса, не сохраняющего свой магнетизм за счет малой коэрцитивной силы и вызывающего переменное индуктивное магнитное поле ЛА. Задача определения и компенсации девиации магнитометрических датчиков решают методом итерации. Полный алгоритм определения и списания девиации приведен в работе [1].The coefficients p, q, r take into account the magnetic field of the magnetically solid iron, which forms a constant magnetic field of the aircraft and retains its magnetism due to the large coercive force. Coefficients a, b, d, e take into account the magnetic field of the magnetically soft iron aircraft, forming an alternating magnetic field, depending on the course, not retaining its magnetism due to the small coercive force and causing an alternating inductive magnetic field of the aircraft. The problem of determining and compensating for the deviation of magnetometric sensors is solved by the iteration method. A complete algorithm for determining and writing off deviation is given in [1].
В основном режиме в вычислительном блоке 6 МНК используют сигналы от приемника 1 СНС для коррекции углов пространственной ориентации, значения земных скоростей и координат местоположения ЛА, определенных по сигналам ИБД 2. При этом минимизируя разности скоростей и координат местоположения, вычисленных при помощи СНС и по сигналам ИБД, используя разомкнутую схему фильтрации Калмана, оценивают погрешности определения координат, скоростей, углов пространственной ориентации и погрешности инерциальных датчиков ИБД.In the main mode, in the
Оцениваемые параметры входящие в вектор X:Estimated parameters included in the vector X:
где ΔB, ΔL, Δh - ошибки определения геодезической широты, долготы и высоты ЛА,where ΔB, ΔL, Δh are the errors in determining the geodetic latitude, longitude and altitude of the aircraft,
ΔVN, ΔVE, ΔVU - ошибки определения проекций земных скоростей ЛА,ΔV N , ΔV E , ΔV U - errors in determining the projections of the ground speeds of the aircraft,
Ψ1, Ψ2, Ψ2 - ошибки определения углов вычислительной (платформенной) системы координат относительно навигационной СК,Ψ 1 , Ψ 2 , Ψ 2 - errors in determining the angles of a computing (platform) coordinate system relative to the navigation SK,
Δa x, Δa y, Δa z, δa x, δa y, δa z - постоянные и случайные составляющие погрешностей датчиков линейных ускорений,Δ a x , Δ a y , Δ a z , δ a x , δ a y , δ a z - constant and random error components of linear acceleration sensors,
Δωx, Δωy, Δωz, δωx, δωy, δωz - постоянные и случайные составляющие погрешностей датчиков угловых скоростей.Δω x , Δω y , Δω z , δω x , δω y , δω z are constant and random components of the errors of the angular velocity sensors.
Выражения, описывающие Фильтр Калмана, приведены ниже:The expressions describing the Kalman Filter are given below:
В процессе работы приемника СНС в блоке 5 проверки достоверности сигналов осуществляют непрерывный контроль достоверности сигналов от приемников СНС. Контроль выходных параметров СНС производят на двух уровнях.In the process of operation of the SNA receiver in
На первом уровне ("грубый контроль") определяют широту, долготу и высоту с заданной точностью. При этом пороги по координатам определяют, исходя из области, ограниченной максимально возможной дальностью и высотой полета. Пороги по скорости контролируют по модулю скорости, которая должна находиться в пределах эксплуатационного диапазона.At the first level ("rough control") determine the latitude, longitude and altitude with a given accuracy. In this case, the thresholds for the coordinates are determined based on the area limited by the maximum possible range and altitude. Speed thresholds are controlled modulo speed, which should be within the operational range.
На втором уровне производят контроль на скользящем интервале наблюдений, где осуществляют контроль измерений скорости, используя сдвигающий буфер BV типа «бегущей строки», в котором хранятся последние N измерений модуля скорости. При поступлении нового измерения происходит сдвиг содержимого и вычисление вариации модуля скорости, при этом, в случае превышения вариацией модуля скорости заданного порога δ|V|>Por(V), формируется признак неисправности Pr=1. Контроль измерения координат осуществляют путем определения приращения пути, используя сдвигающий буфер BD типа «бегущей строки», в котором хранятся последние N измерений приращения пути. При поступлении нового измерения происходит сдвиг содержимого и вычисление вариации приращения пути. В случае превышения вариацией приращения пути заданного порога δD>Por(D), формируется признак неисправности Pr=1. Контроль выдачи одних и тех же их значений параметров от СНС осуществляют до "n" совпадений, при достижении которого формируется признак неисправности Pr=1. Полный алгоритм определения достоверности сигналов от приемника СНС приведен в работе [2].At the second level, control is carried out on a moving observation interval, where speed measurements are monitored using a shifting buffer of type “running line” BV, in which the last N measurements of the speed module are stored. When a new measurement arrives, the content is shifted and the variation of the velocity module is calculated, and if the variation of the velocity module exceeds the specified threshold δ | V |> Por (V), a malfunction indicator Pr = 1 is formed. Coordinate measurement control is carried out by determining the increment of the path, using the shifting buffer BD type "running line", which stores the last N measurements of the increment of the path. When a new dimension arrives, the content is shifted and the variation of the path increment is calculated. If the variation in the increment of the path increment exceeds a predetermined threshold δD> Por (D), a malfunction sign Pr = 1 is formed. The control of the issuance of the same parameter values from the SNA is carried out to “n” matches, upon reaching which a symptom of malfunction Pr = 1 is formed. A complete algorithm for determining the reliability of signals from the SNA receiver is given in [2].
Одновременно в вычислительном блоке 7 определяются проекции скорости ветра, воздушной скорости, счисление текущих координат по сигналам воздушной скорости и барометрическая высота по сигналам СВС 3. Алгоритмы оценивания погрешностей воздушной скорости и определения ветра приведены в работе [5].At the same time, in calculating
Альтернативный режим включается при отсутствии достоверных сигналов от приемника СНС. В этом случае в уравнениях невязки ФК значения скоростей и координат от СНС замещаются скорректированными на текущий момент значениями воздушной скорости и высоты. Для вычисления земной скорости используются последние вычисленные значения проекций скорости ветра на момент отключения СНС.An alternative mode is activated in the absence of reliable signals from the SNA receiver. In this case, in the FC residual equations, the values of the velocities and coordinates from the SNA are replaced by the currently corrected airspeed and altitude values. To calculate the earth's speed, the last calculated values of the projections of the wind speed at the time of switching off the SNA are used.
Расчет скорости ветра:Calculation of wind speed:
Резервный режим работает в горячем резерве. В процессе нормальной работы осуществляется проверка достоверности значений углов пространственной ориентации по сигналам БРН, который имеет свой аварийный источник питания. Курс определяется по сигналам от магнитного датчика с учетом коэффициентов магнитной девиации. Высота определяется по датчику барометрической высоты БРН.Standby mode works in hot standby. During normal operation, the verification of the values of the spatial orientation angles is carried out according to the BRN signals, which has its own emergency power source. The course is determined by the signals from the magnetic sensor, taking into account the coefficients of magnetic deviation. The height is determined by the barometric height sensor BRN.
В работе БРН используют две модели ориентации. Модель 1 предназначена для учета изменения ориентации аппарата на шагах дискретизации измерений гироскопов. Она является динамической, детерминированной и представлена в параметрах Родрига-Гамильтона:In the work of the BRN, two orientation models are used.
Здесь qi - кватернион ориентации аппарата; qωi - кватернион угловых скоростей; i - номер дискретного момента времени; Δt - шаг дискретизации измерений; q0 - кватернион ориентации для начального момента времени.Here q i is the quaternion of the orientation of the apparatus; q ωi is the quaternion of angular velocities; i is the number of the discrete time instant; Δt is the measurement discretization step; q 0 is the quaternion of orientation for the initial moment of time.
Кватернион q определяет ориентацию связанной системы координат аппарата относительно инерциальной системы координат, роль которой играет нормальная земная система координат. С точки зрения теории бесплатформенных инерциальных систем соотношения являются одношаговым алгоритмом ориентации.Quaternion q determines the orientation of the associated coordinate system of the apparatus relative to the inertial coordinate system, the role of which is played by the normal earth coordinate system. From the point of view of the theory of strapdown inertial systems, ratios are a one-step orientation algorithm.
Модель 2 предназначена для коррекции модели 1. Вектор состояния модели 2 учитывает три компоненты - крен, тангаж и скорость аппарата относительно земли. Ее вектор состояния подлежит оцениванию по текущим значениям сигналов от акселерометров. Модель 2 является стохастической и статической, поскольку ее состояние учитывается для текущего момента дискретного времени ti. Соотношения для модели 2 имеют вид
. .
Здесь xi - вектор состояния; - его априорное нормальное распределение; V - земная скорость; wi - вектор возмущений; xiq - вспомогательный вектор,Here x i is the state vector; - its a priori normal distribution; V is the earth's speed; w i is the perturbation vector; x iq is an auxiliary vector,
рассчитываемый по кватерниону ориентации модели 1 с помощью матрицы A поворота связанной системы координат относительно инерциальнойcalculated according to the quaternion of the orientation of
ϑ=arcsin(a(1,2)), γ=-acrtg(a(3,2)/a(2,2)).ϑ = arcsin ( a (1,2)), γ = -acrtg ( a (3,2) / a (2,2)).
Обозначим - априорное нормальное распределение вектора состояния модели 2 для момента времени ti; - апостериорное распределение, подлежащее оцениванию; - априорное распределение для следующего момента времени ti+1. Тогда алгоритм БРН, решаемый на одном интервале дискретизации измерений Δt, представляется в виде последовательности следующих шагов.We denote - a priori normal distribution of the state vector of
Шаг 1. Определение статистик апостериорной плотности вектора состояния модели 2 с учетом и текущих измерений гироскопов и акселерометров.
Шаг 2. Расчет оценки кватерниона ориентации .
Шаг 3. Вычисление априорного кватерниона ориентации для следующего момента дискретного времени.
Шаг 4. Вычисление статистик априорной плотности
Остановимся на особенностях выполнения вычислений на шаге 1 и шаге 4.Let us dwell on the features of performing the calculations in
1. Определение статистик апостериорной плотности имеет вид известных соотношений байесовского оценивания вектора состояния по вектору его дискретных измерений.1. Definition of statistics of posterior density has the form of well-known relations of Bayesian estimation of the state vector by the vector of its discrete measurements.
Здесь - оценка вектора наблюдений, которая имеет видHere - assessment of the observation vector, which has the form
4. Вычисление статистик априорной плотности включает в себя расчет априорного математического ожидания и ковариационной матрицы. Априорное математическое ожидание компоненты скорости определяется с учетом допущения о постоянстве скорости и принимается равным ее оценке:. Априорные математические ожидания тангажа и крена , вычисляются по кватерниону Априорная ковариационная матрица приближенно принимается равной апостериорной ковариационной матрице: . Применение более сложных соотношений для ее расчета представляется неоправданным в силу приближенности модели 2.4. Calculation of statistics of a priori density includes calculation of a priori mathematical expectation and covariance matrix. The a priori expectation of the velocity component is determined taking into account the assumption that the velocity is constant and is taken equal to its estimate: . A priori mathematical expectations of pitch and roll , calculated by quaternion The a priori covariance matrix is approximately taken equal to the posterior covariance matrix: . The use of more complex relations for its calculation seems unjustified due to the proximity of
Указанные вычисления выполняются на каждом шаге Δt по мере поступления новых измерений гироскопов и акселерометров. В резервном режиме определяются курс, крен, тангаж и барометрическая высота ЛА. Полные алгоритмы адаптивной инерциальной курсовертикали, работы БРН приведены в работе [3, 4].These calculations are performed at each step Δt as new measurements of gyroscopes and accelerometers arrive. In standby mode, the aircraft heading, roll, pitch and barometric altitude are determined. Complete algorithms of adaptive inertial course-of-flight, the work of the BRN are given in [3, 4].
В блоке 11 осуществляется оптимизация адаптации к турбулентности. Полные выражения для перегрузок, зависящих от параметров полета ЛА:In
Степень влияния слагаемых в правых частях (1) зависит от режима полета. На режиме прямолинейного горизонтального полета с постоянной скоростью имеет место nx=sin(ϑ), ny=cos(ϑ)cos(γ), nz=-cos(ϑ)sin(γ). Данные соотношения используются в простейших вариантах коррекции, когда ускорения, создаваемые ЛА, значительно меньше гравитационных.The degree of influence of the terms in the right-hand sides of (1) depends on the flight mode. In a straight horizontal flight with constant speed, n x = sin (ϑ), n y = cos (ϑ) cos (γ), n z = -cos (ϑ) sin (γ). These ratios are used in the simplest correction options when the accelerations created by the aircraft are much less than gravitational ones.
Слагаемые (Vzωy-ωzVy)/g, (Vxωz-ωxVz)/g, (Vyωx-ωyVx)/g обусловлены появлением Кориолисовых сил и имеют значимость при разворотах ЛА.The terms (V z ω y -ω z V y ) / g, (V x ω z -ω x V z ) / g, (V y ω x -ω y V x ) / g are due to the appearance of Coriolis forces and are significant for U-turns.
Слагаемые , , имеют значимость при появлении линейных ускорений по связанным осям ЛА.Terms , , are significant when linear accelerations appear along the associated aircraft axes.
При относительно небольших углах атаки и скольжения скорость направлена в основном по строительной оси.At relatively small angles of attack and slip, the speed is directed mainly along the construction axis.
, ,
Тогда (1) представляется в упрощенном видеThen (1) is presented in a simplified form
ny=cos(ϑ)cos(γ)+Vωz/g,n y = cos (ϑ) cos (γ) + Vω z / g,
nz=-cos(ϑ)sin(γ)-ωyV/g.n z = -cos (ϑ) sin (γ) -ω y V / g.
Всякое отклонение модуля перегрузки от единицы и всякая неточность (1) учитывается снижением доверия к наблюдениям перегрузок путем увеличения дисперсий в ковариационной матрице Ri, в соответствии с заданным законом. При этом снижается интенсивность коррекции, и, следовательно, снижаются ее ошибки.Any deviation of the overload modulus from unity and any inaccuracy (1) is taken into account by a decrease in confidence in the observations of overloads by increasing variances in the covariance matrix R i , in accordance with a given law. In this case, the correction intensity decreases, and, consequently, its errors are reduced.
На режимах разгона и торможения значительный вклад в изменение кажущегося ускорения вносит производная скорости.In acceleration and braking modes, the derivative of speed makes a significant contribution to the change in apparent acceleration.
Учитывая то, что изменение скорости ЛА относится к длиннопериодическому движению, производная скорости выделяется из оценки скорости с помощью сглаживающего фильтра нижних частотGiven that the change in the speed of the aircraft relates to long-period motion, the derivative of the speed is distinguished from the speed estimate using a smoothing low-pass filter
. .
Здесь T - постоянная времени фильтра нижних частот.Here T is the low-pass filter time constant.
Из рассмотрения Якобиана Hi следует, что оценивание скорости ЛА происходит при выполнении разворотов, когда присутствуют одна или обе угловые скорости ωz, ωy. При этом слагаемые ωxV/g, -ωyV/g в соотношениях для ny, nz обеспечивают оценивание крена. Из первого уравнения в (1) следует, что слагаемое в выражении для влияет на оценивание тангажа.From the consideration of Jacobian H i it follows that the estimation of the speed of the aircraft occurs when performing turns, when one or both angular velocities ω z , ω y are present. Moreover, the terms ω x V / g, -ω y V / g in the ratios for n y , n z provide an estimate of the roll. It follows from the first equation in (1) that the term in the expression for affects pitch estimation.
На участках полета при взлете и посадке, когда скорость изменяется наиболее интенсивно, а ЛА не выполняет разворотов, скорость не оценивается, но при этом учитывают для повышения точности оценивания тангажа.In the flight areas during take-off and landing, when the speed changes most intensively, and the aircraft does not perform turns, the speed is not estimated, but to increase the accuracy of pitch estimation.
С этой целью используют измерение скорости системой воздушных сигналов (СВС). СВС формирует измерение истинной воздушной скорости VTA.To this end, use the measurement of speed by the system of air signals (SHS). SHS generates a true airspeed measurement V TA .
Современные СВС обладают достаточно высокой точностью. Выделение производной выполняют аналогично (2) с помощью фильтра нижних частот в дифференцирующем устройстве:Modern SHS have a fairly high accuracy. Derivation perform similarly (2) using a low-pass filter in a differentiating device:
Заметим, что при этом постоянные рассогласования между земной и истинной воздушной скорости не вносят ошибок в определение производной. Динамические ошибки измерения VTA на малых высотах взлета и посадки незначительны. Шумовые погрешности СВС сглаживаются фильтром. Поэтому с достаточной точностью правомерно положить .Note that in this case, constant mismatches between the earthly and true airspeed do not introduce errors into the definition of the derivative. Dynamic measurement errors V TA at low altitudes of takeoff and landing are negligible. SHS noise errors are smoothed out by the filter. Therefore, with sufficient accuracy, it is legitimate to put .
Дополнительную оптимизацию коэффициентов фильтра выполняют с учетом уровня погрешностей датчиков. Путем анализа ошибок инерциальных датчиков с помощью спектральной плотности мощности и дисперсии Алана выделяют шумы квантования, случайное блуждание (дрейф), нестабильность смещения нуля (фликкер шум), случайное блуждание (дрейф) скорости, мультипликативную систематическую погрешность и синусоидальный шум.Additional optimization of the filter coefficients is performed taking into account the level of sensor errors. By analyzing the errors of inertial sensors using the spectral power density and Alan dispersion, quantization noise, random walk (drift), instability of zero bias (flicker noise), random walk (speed drift), multiplicative systematic error, and sinusoidal noise are distinguished.
С учетом того, что основной вклад в ошибки ориентации бесплатформенной БРН вносят смещения нулей гироскопов, настройку коэффициентов фильтра Калмана выполняют на множестве обучающих последовательностей, формируемых для набора сочетаний знаков смещений.Considering the fact that the main contribution to the orientation errors of the strapdown BRN is made by the displacements of the zeros of the gyroscopes, the adjustment of the Kalman filter coefficients is performed on the set of training sequences formed for a set of combinations of displacement signs.
Коэффициенты фильтра оптимизируют следующим образом.The filter coefficients are optimized as follows.
Для каждого полета формируется девять обучающих последовательностей.For each flight, nine training sequences are formed.
Варианты знаков смещений нулей гироскопов представлены в таблице 1, где c0 - абсолютная величина смещения. Величина c0 задается с учетом класса точности располагаемых гироскопов.Variants of the signs of the displacements of the zeros of the gyroscopes are presented in table 1, where c 0 is the absolute value of the displacement. The value of c 0 is set taking into account the accuracy class of disposable gyroscopes.
Всего в алгоритме БРН присутствует шесть коэффициентов, подлежащих настройке: q1, q2, q3 - диагональные элементы ковариационной матрицы возмущений Q, и a=d1, , - коэффициенты нелинейной функции , определяющей диагональные элементы ковариационной матрицы ошибок наблюдения R.In total, there are six coefficients to be tuned in the BRN algorithm: q 1 , q 2 , q 3 - diagonal elements of the covariance matrix of perturbations Q, and a = d 1 , , are the coefficients of the nonlinear function defining the diagonal elements of the covariance matrix of observation errors R.
Критерием качества J1 назначают взвешенную среднеквадратическую ошибку ориентации по крену и тангажу, усредненную по времени и по множеству всех девяти обучающих последовательностей.The quality criterion J 1 is the weighted mean square error of roll and pitch orientation, averaged over time and over the set of all nine training sequences.
Здесь - среднеквадратическая ошибка оценивания тангажа: - среднеквадратическая ошибка оценивания крена: αϑ=0.5 и αγ=0.5 - весовые коэффициенты; J={a, b, k, q1, q2, q3} - множество из шести искомых коэффициентов алгоритма.Here - standard error of pitch estimation: - the standard error of the roll estimation: α оцени = 0.5 and α γ = 0.5 - weight coefficients; J = { a , b, k, q 1 , q 2 , q 3 } is the set of six desired coefficients of the algorithm.
Идентификацию турбулентности, в смысле выявления ее наличия, выполняют по величине среднеквадратичного отклонения на скользящем интервале небольшой длины, порядка 1-2 секунд. При превышении некоторого заданного порога принимают решение о наличии турбулентности.The identification of turbulence, in the sense of revealing its presence, is performed by the standard deviation on a sliding interval of small length, about 1-2 seconds. If a certain threshold is exceeded decide on the presence of turbulence.
Оптимизации коэффициентов осуществляют в три этапа.The optimization of the coefficients is carried out in three stages.
1. Численная минимизация критерия качества minJ1 и определение коэффициентов {a 1, b1, k1, q11, q21, q31} для полетов в спокойной атмосфере, .1. Numerical minimization criterion of quality minJ 1 and determining the coefficients {a 1, b 1, k 1, q 11, q 21, q 31} for flight in a calm atmosphere, .
2. Численная минимизация критерия качества minJ1 и определение коэффициентов {a 2, b2, k2, q12, q22, q32} для полетов в условиях турбулентности, .2. Numerical minimization of the quality criterion minJ 1 and determination of the coefficients { a 2 , b 2 , k 2 , q 12 , q 22 , q 32 } for flights in turbulence conditions, .
3. Определение процедуры вычисления дисперсий d, q1, q2, q3, удовлетворяющей с достаточной точностью полетам как в спокойной атмосфере, так и в турбулентности.3. Definition of the procedure for calculating the dispersions d, q 1 , q 2 , q 3 , satisfying with sufficient accuracy flights in a calm atmosphere, and in turbulence.
Наиболее просто данная процедура реализуется с помощью линейной интерполяции коэффициентов фильтра по результатам этапов 1, 2 и текущим значениям , .Most simply, this procedure is implemented by linear interpolation of the filter coefficients according to the results of
Выходные сигналы крена, курса и тангажа, полученные от БРН, работающего в горячем резерве, сравнивают с аналогичными сигналами от МНК, работающего в альтернативном режиме, что позволяет дополнительно контролировать точность и достоверность полученных углов пространственной ориентации.The output signals of the roll, course and pitch received from the BRN operating in the hot reserve are compared with similar signals from the OLS operating in the alternative mode, which allows additional control over the accuracy and reliability of the obtained spatial orientation angles.
Малогабаритный навигационный комплекс может быть использован как на высокоманевренных, так и на маломаневренных ЛА. Сокращение времени начальной выставки достигается путем определения курса ЛА в процессе руления и разбега. Повышение надежности происходит за счет использования СВС в случае пропадания сигналов от СНС и использования резервной навигационной системы, а также проверкой достоверности сигналов от приемника СНС и проверки углов ориентации путем сравнения сигналов инерциальной системы с сигналами углов резервной системы. Повышение точности определения истинного курса обеспечивается путем списания девиации в полете и постоянной адаптивной коррекцией углов крена и тангажа по сигналам от акселерометров, а также оптимизацией коэффициентов фильтрации в зависимости от турбулентности, и осуществляя настройку на множестве обучающих последовательностей. Заметим, что списание девиации может быть осуществлено периодически, в случае отсутствия замены бортового и подвесного оборудования ЛА.Small-sized navigation system can be used both on highly maneuverable and on low-maneuverable aircraft. Reducing the time of the initial exhibition is achieved by determining the course of the aircraft during taxiing and take-off. The increase in reliability occurs due to the use of SHS in case of loss of signals from the SNA and the use of a backup navigation system, as well as checking the reliability of signals from the receiver of the SNA and checking orientation angles by comparing the signals of the inertial system with the signals of the corners of the backup system. Improving the accuracy of determining the true course is ensured by writing off the deviation in flight and constant adaptive correction of the roll and pitch angles according to signals from accelerometers, as well as by optimizing the filtration coefficients depending on turbulence, and by tuning on a variety of training sequences. Note that the cancellation of deviation can be carried out periodically, in the absence of replacement of onboard and overhead equipment of the aircraft.
Предложенное техническое устройство может быть реализовано путем использования базовых элементов для вычислительных систем бортовых цифровых вычислительных машин и базовых элементов, используемых в существующих НК летательных аппаратов.The proposed technical device can be implemented by using basic elements for computer systems of on-board digital computers and basic elements used in existing NK aircraft.
ЛитератураLiterature
1. Патент №2550774. Способ определения и компенсации девиации магнитометрических датчиков и устройство для его осуществления, МПК G01C 21/08, бюл. №13, 2015 г. Авторы Заец В.Ф., Кулабухов В.С., Качанов Б.О., Туктарев Н.А., Гришин Д.В.1. Patent No. 2550774. A method for determining and compensating deviation of magnetometric sensors and a device for its implementation, IPC G01C 21/08, bull. No. 13, 2015. Authors Zaets V.F., Kulabukhov V.S., Kachanov B.O., Tuktarev N.A., Grishin D.V.
2. Патент №2585051. Способ контроля данных от спутниковых навигационных систем и устройство для его осуществления, МПК G01S 19/08. Бюл. №15, 2015 г. Авторы Заец В.Ф., Кулабухов В.С., Качанов Б.О., Туктарев Н.А.2. Patent No. 2585051. A method for monitoring data from satellite navigation systems and a device for its implementation, IPC G01S 19/08. Bull. No. 15, 2015. Authors Zaets V.F., Kulabukhov V.S., Kachanov B.O., Tuktarev N.A.
3. Патент №2564380. Способ коррекции бесплатформенной инерциальной навигационной системы, МПК G01С 21/06. Бюл. №27, 2015 г. Авторы Заец В.Ф., Кулабухов В.С., Качанов Б.О., Туктарев Н.А., Гришин Д.В.3. Patent No. 2564380. Correction method for strapdown inertial navigation system, IPC G01C 21/06. Bull. No27, 2015. Authors Zaets V.F., Kulabukhov V.S., Kachanov B.O., Tuktarev N.A., Grishin D.V.
4. Патент №2564379. Бесплатформенная инерциальная курсовертикаль, МПК G01C 21/16, бюл. №27, 2015 г. Авторы Заец В.Ф., Кулабухов В.С., Качанов Б.О., Туктарев Н.А.4. Patent No. 2564379. Strap-on inertial kursertical, IPC G01C 21/16, bull. No27, 2015. Authors Zaets V.F., Kulabukhov V.S., Kachanov B.O., Tuktarev N.A.
5. Патент №2579550. Способ определения погрешности измерения воздушной скорости и устройство для его осуществления, МПК G01P 21/00. Бюл. №10, 2016 г. Авторы Заец В.Ф., Корсун О.Н., Кулабухов В.С., Туктарев Н.А., Лысюк О.П.5. Patent No. 2579550. A method for determining the error of measuring air speed and a device for its implementation, IPC G01P 21/00. Bull. No. 10, 2016. Authors Zaets V.F., Korsun O.N., Kulabukhov V.S., Tuktarev N.A., Lysyuk O.P.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016143330A RU2644632C1 (en) | 2016-11-03 | 2016-11-03 | Small-sized navigational complex |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016143330A RU2644632C1 (en) | 2016-11-03 | 2016-11-03 | Small-sized navigational complex |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2644632C1 true RU2644632C1 (en) | 2018-02-13 |
Family
ID=61226793
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2016143330A RU2644632C1 (en) | 2016-11-03 | 2016-11-03 | Small-sized navigational complex |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2644632C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2754396C1 (en) * | 2020-06-19 | 2021-09-01 | Акционерное общество Московский научно-производственный комплекс "Авионика" имени О.В. Успенского (АО МНПК "Авионика") | Adaptive method for correcting orientation angles of strapdown ins |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2005057132A1 (en) * | 2003-12-05 | 2005-06-23 | Honeywell International Inc. | System and method for using multiple aiding sensors in a deeply integrated navigation system |
EP1612514A1 (en) * | 2004-06-28 | 2006-01-04 | Northrop Grumman Corporation | System for navigation redundancy |
RU74217U1 (en) * | 2008-03-17 | 2008-06-20 | Открытое акционерное общество "Концерн "Гранит-Электрон" | COMPLEX FOR VERIFICATION OF A SHIP RADAR SYSTEM |
RU2373498C2 (en) * | 2007-10-08 | 2009-11-20 | Открытое Акционерное Общество "Конструкторское Бюро "Луч" | Navigation complex, velocity and coordinates' calculation, gimballess inertial attitude-and-heading reference system, correction method for inertial transducers and device for its implementation |
RU2395061C1 (en) * | 2009-06-15 | 2010-07-20 | Открытое акционерное общество "Концерн "Созвездие" | Method to determine position of movable objects and integrated navigation system to this end |
RU118740U1 (en) * | 2012-01-12 | 2012-07-27 | Открытое акционерное общество "Концерн "Созвездие" | ADAPTIVE NAVIGATION COMPLEX |
-
2016
- 2016-11-03 RU RU2016143330A patent/RU2644632C1/en active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2005057132A1 (en) * | 2003-12-05 | 2005-06-23 | Honeywell International Inc. | System and method for using multiple aiding sensors in a deeply integrated navigation system |
EP1612514A1 (en) * | 2004-06-28 | 2006-01-04 | Northrop Grumman Corporation | System for navigation redundancy |
RU2373498C2 (en) * | 2007-10-08 | 2009-11-20 | Открытое Акционерное Общество "Конструкторское Бюро "Луч" | Navigation complex, velocity and coordinates' calculation, gimballess inertial attitude-and-heading reference system, correction method for inertial transducers and device for its implementation |
RU74217U1 (en) * | 2008-03-17 | 2008-06-20 | Открытое акционерное общество "Концерн "Гранит-Электрон" | COMPLEX FOR VERIFICATION OF A SHIP RADAR SYSTEM |
RU2395061C1 (en) * | 2009-06-15 | 2010-07-20 | Открытое акционерное общество "Концерн "Созвездие" | Method to determine position of movable objects and integrated navigation system to this end |
RU118740U1 (en) * | 2012-01-12 | 2012-07-27 | Открытое акционерное общество "Концерн "Созвездие" | ADAPTIVE NAVIGATION COMPLEX |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2754396C1 (en) * | 2020-06-19 | 2021-09-01 | Акционерное общество Московский научно-производственный комплекс "Авионика" имени О.В. Успенского (АО МНПК "Авионика") | Adaptive method for correcting orientation angles of strapdown ins |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US6819983B1 (en) | Synthetic pressure altitude determining system and method with wind correction | |
US6498996B1 (en) | Vibration compensation for sensors | |
WO2016198958A1 (en) | Autonomous and non-autonomous navigation system for unmanned vehicles based on vehicle dynamic model | |
RU2647205C2 (en) | Adaptive strap down inertial attitude-and-heading reference system | |
CN108759845A (en) | A kind of optimization method based on inexpensive multi-sensor combined navigation | |
US10338090B2 (en) | Airspeed estimation system | |
RU2564380C1 (en) | Correction method of strap-down inertial navigation system | |
CN110849360B (en) | Distributed relative navigation method for multi-machine collaborative formation flight | |
US9828111B2 (en) | Method of estimation of the speed of an aircraft relative to the surrounding air, and associated system | |
FR3008818A1 (en) | DEVICE AND METHOD FOR PREDICTING THE PRECISION, THE INTEGRITY AND AVAILABILITY OF THE POSITION OF AN AIRCRAFT ALONG A TRACK. | |
RU2646954C2 (en) | Correction method of strap down inertial navigation system | |
RU2564379C1 (en) | Platformless inertial attitude-and-heading reference | |
RU2646957C1 (en) | Complex method of aircraft navigation | |
RU2382988C1 (en) | Strapdown inertial reference system on "coarse" detecting elements | |
RU2644632C1 (en) | Small-sized navigational complex | |
RU2749152C1 (en) | Adaptive attitude angle corrector for strapdown inertial navigation system | |
CN112525188B (en) | Combined navigation method based on federal filtering | |
RU2635820C1 (en) | Method of correction of platform-free inertial navigation system | |
RU2589495C1 (en) | Method of determining spatial orientation angles of aircraft and device therefor | |
KR101257935B1 (en) | Device for alignment of inertial navigation system using bias and navigation system thereof | |
Botha et al. | Vehicle sideslip estimation using unscented Kalman filter, AHRS and GPS | |
RU2754396C1 (en) | Adaptive method for correcting orientation angles of strapdown ins | |
RU2502049C1 (en) | Small-size platformless inertial navigation system of medium accuracy, corrected from system of air signals | |
RU2594631C1 (en) | Method of determining spatial orientation angles of aircraft and device therefor | |
EP1058816B1 (en) | Method and apparatus for determining altitude |