RU2676941C1 - Freeform inertial navigation system of mobile object - Google Patents
Freeform inertial navigation system of mobile object Download PDFInfo
- Publication number
- RU2676941C1 RU2676941C1 RU2017144953A RU2017144953A RU2676941C1 RU 2676941 C1 RU2676941 C1 RU 2676941C1 RU 2017144953 A RU2017144953 A RU 2017144953A RU 2017144953 A RU2017144953 A RU 2017144953A RU 2676941 C1 RU2676941 C1 RU 2676941C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- inertial
- sensors
- information
- rotation
- variables
- 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
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION
Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано при создании бесплатформенных инерциальных навигационных систем, водящих в состав инерциального навигационного комплекса для высокоскоростного маневренного объекта [1] в качестве бесплатформенной инерциальной навигационной системы, дублирующей основную бесплатформенную инерциальную навигационную систему подвижного объекта.The invention relates to the field of instrumentation and can be used to create strapdown inertial navigation systems leading to the composition of the inertial navigation complex for a high-speed maneuverable object [1] as a strapdown inertial navigation system that duplicates the main strapdown inertial navigation system of a moving object.
Используемые терминыTerms Used
Для существенного сокращения текста описания и формулы целесообразно перечислить используемые термины применительно к заявляемому устройству:To significantly reduce the text of the description and formula, it is advisable to list the terms used in relation to the claimed device:
Объект - движущееся в пространстве управляемое тело с целенаправленным перемещением из одной области пространства в другую.An object is a controlled body moving in space with purposeful movement from one area of space to another.
Полюс объекта - точка, для которой определяются переменные его поступательного движения - это, как правило, начало связанной с ним системы координат; в частности, полюсом объекта может быть его центр масс.The pole of the object - the point for which the variables of its translational motion are determined - this is, as a rule, the beginning of the coordinate system associated with it; in particular, the pole of an object may be its center of mass.
Датчиковая система координат - система координат, связанная с инерциальным датчиком; в заявляемом устройстве - это система координат, связанная с ротором, начало которой помещено в «нижний» конец его оси вращения, третья ось направлена по оси вращения в положительном направлении вектора угловой скорости ротора, две другие оси образуют с третьей осью правую тройку; в датчиковой системе координат заданы массогеометрические параметры ротора: проекции радиуса-вектора центра масс и компоненты тензора инерции.Sensor coordinate system - a coordinate system associated with an inertial sensor; in the claimed device is a coordinate system associated with the rotor, the beginning of which is placed at the "lower" end of its axis of rotation, the third axis is directed along the axis of rotation in the positive direction of the angular velocity vector of the rotor, the other two axes form the right three with the third axis; In the sensor coordinate system, the mass-geometric parameters of the rotor are set: the projections of the radius-vector of the center of mass and the components of the inertia tensor.
Объектная система координат - связанная с объектом система координат, начало которой совмещено с его полюсом, оси которой направлены в соответствии с задачами управления его движением.An object coordinate system is a coordinate system associated with an object whose origin is aligned with its pole, whose axes are directed in accordance with the tasks of controlling its movement.
Установочная система координат - система координат, связанная с объектом, начало которой помещено в начало датчиковой системы координат, ее третья ось, по которой направлена ось вращения ротора инерциального датчика, отклонена на два угла относительно объектной системы координат, а две другие ее оси образуют с третьей осью правую тройку: эта система координат введена для построения математической модели динамики инерциального датчика, произвольно установленного на произвольно движущемся в пространстве объекте; путем варьирования численных значений двух углов можно установить инерциальный датчик требуемым образом относительно объекта.Installation coordinate system - a coordinate system associated with an object whose origin is placed at the beginning of the sensor coordinate system, its third axis, along which the axis of rotation of the inertial sensor rotor is directed, is deviated by two angles relative to the object coordinate system, and its two other axes form with the third the axis of the right three: this coordinate system was introduced to construct a mathematical model of the dynamics of an inertial sensor, arbitrarily mounted on an object moving arbitrarily in space; by varying the numerical values of the two angles, you can install the inertial sensor in the desired manner relative to the object.
Земная географическая система координат - связанная с Землей система координат, начало которой находится на поверхности Земли (в частности, совпадает с точкой начала движения объекта), первая ось направлена на Восток, вторая - на Север, третья - в зенит;The Earth’s geographical coordinate system is the coordinate system connected with the Earth, the origin of which is on the Earth’s surface (in particular, it coincides with the point where the object begins to move), the first axis is directed to the East, the second to the North, the third to the zenith;
Земная геоцентрическая система координат - связанная с Землей система координат, начало которой помещено в центр сферической Земли, оси образуют правую тройку, при этом первая ось пересекает нулевой меридиан, третья ось направлена на Север (вдоль этой оси направлен вектор угловой скорости суточного вращения Земли).The Earth's geocentric coordinate system is a coordinate system connected with the Earth whose origin is placed in the center of a spherical Earth, the axes form the right three, with the first axis crossing the zero meridian, the third axis pointing to the North (the angular velocity vector of the Earth’s daily rotation is directed along this axis).
Инерциальная система координат - связанная с абсолютно неподвижной в пространстве системой отсчета, оси которой образуют правую тройку и в начальный момент времени наблюдения за движением объекта параллельны осям земной геоцентрической системы координат.Inertial coordinate system - associated with a reference frame that is absolutely motionless in space, whose axes form the right three and at the initial moment of time, observations of the object’s movement are parallel to the axes of the earth’s geocentric coordinate system.
Инерциальный датчик - электро-электронно-механическое устройство, выходные сигналы которого зависят от кинематических характеристик движения объекта и от конструктивных характеристик и принципов работы датчика, в заявляемом устройстве -это ротор, вращающийся вокруг оси, установленной в два опорных узла, каждый из которых представляет собой пять датчиков сил, четыре из которых перпендикулярны оси и взаимно перпендикулярны, а пятый установлен вдоль оси на ее торце, указанные датчики силы контактируют с осью в режиме подшипника скольжения, а противоположные концы датчиков силы контактируют с корпусом, жестко установленном на объекте, каждый датчик силы выдает сигнал, равный его силе сжатия; ротор приводится в движение моментным двигателем и около ротора имеются датчики угла поворота, угловой скорости и углового ускорения; выходы датчиков силы и датчиков угла, угловой скорости и углового ускорения подключены ко входу встроенного компьютера по беспроводной технологии передачи информации.An inertial sensor is an electro-electronic-mechanical device, the output signals of which depend on the kinematic characteristics of the object’s movement and on the design characteristics and principles of the sensor’s operation, in the inventive device it is a rotor rotating around an axis installed in two support nodes, each of which is five force sensors, four of which are perpendicular to the axis and mutually perpendicular, and the fifth is installed along the axis at its end, these force sensors are in contact with the axis in the sliding bearing mode I, and the opposite ends of the force sensors are in contact with the body, rigidly mounted on the object, each force sensor gives a signal equal to its compression force; the rotor is driven by a torque motor and there are sensors of rotation angle, angular velocity and angular acceleration near the rotor; the outputs of the force sensors and sensors of the angle, angular velocity and angular acceleration are connected to the input of the built-in computer using wireless information transfer technology.
Встроенный компьютер - это вычислительное устройство, встроенное в инерциальный датчик или входящее в состав бортового компьютера, в котором хранится информация о структуре инерциального датчика и в который инсталлировано программное обеспечение для процедуры определения сил реакций опор оси вращения ротора на основе обработки сигналов датчиков сил, то есть вход во встроенный компьютер - это сигналы датчиков сил, а его выход - пять проекций векторов сил реакций опор оси вращения ротора (три - в нижней опоре, две - в верхней опоре) в установочной системе координат.An embedded computer is a computing device built into an inertial sensor or included in the on-board computer, which stores information about the structure of the inertial sensor and in which software is installed for determining the reaction forces of bearings of the axis of rotation of the rotor based on the processing of signal from force sensors, i.e. the input to the built-in computer is the signals of the force sensors, and its output is five projections of the reaction force vectors of the supports of the axis of rotation of the rotor (three in the lower support, two in the upper support) full-time coordinate system.
Первичная информация - это совокупность сигналов датчиков сил, установленных указанным выше способом между осями роторов и корпусами инерциальных датчиков, жестко связанных с объектом; на основе этой информации вычисляются указанные выше проекции векторов сил реакций опор осей вращения роторов инерциальных датчиков.Primary information is a set of signals of force sensors installed by the above method between the axes of the rotors and the inertial sensor bodies rigidly connected to the object; Based on this information, the above projections of the reaction force vectors of the supports of the rotational axes of the inertial sensors rotors are calculated.
Инерциальная информация в заявляемом устройстве - это совокупность восемнадцати переменных, вычисляемых на основе первичной информации трех инерциальных датчиков, оси ращения роторов которых взаимно перпендикулярны; указанные пятнадцать переменных инерциальной информации - это: три проекции вектора кажущегося ускорения полюса объекта три проекции вектора абсолютного углового ускорения объекта, три проекции вектора абсолютной угловой скорости объекта и девять произведений проекций вектора абсолютной угловой скорости объекта друг на друга; все указанные проекции векторов - на оси объектной системы координат, определение переменных инерциальной информации сводится к решению системы линейных алгебраических уравнений восемнадцатого порядка.Inertial information in the claimed device is a set of eighteen variables, calculated on the basis of the primary information of three inertial sensors, the axes of rotation of the rotors of which are mutually perpendicular; the indicated fifteen variables of inertial information are: three projections of the object’s apparent acceleration vector pole, three projections of the object’s absolute angular acceleration vector, three projections of the object’s absolute angular velocity vector, and nine products of the projections of the object’s absolute angular velocity vector on top of each other; all these projections of vectors are on the axis of the object coordinate system, the determination of variables of inertial information is reduced to solving a system of linear algebraic equations of the eighteenth order.
Навигационная информация - переменные, на основе которых осуществляется управление движением объекта, в заявляемом устройстве - это пятнадцать переменных: переменные ориентации объекта от базовой (например, земной географической системы координат) к объектной системе координат (это, например, девять направляющих косинусов), три проекции вектора скорости полюса объекта и три проекции радиуса-вектора полюса объекта (то есть три координаты объекта) в базовой системе координат.Navigation information — the variables on the basis of which the movement of the object is controlled, in the inventive device — these are fifteen variables: the orientation of the object from the base (for example, the Earth’s geographic coordinate system) to the object coordinate system (for example, nine direction cosines), three projections the velocity vector of the object’s pole and three projections of the radius-vector of the object’s pole (that is, the three coordinates of the object) in the base coordinate system.
Функция управления движением объекта - в заявляемом устройстве это сумма средневзвешенных модулей разностей определяемых бесплатформенной инерциальной навигационной системой переменных навигационной информации и соответствующих функций времени, задающих требуемые программные движения объекта, то есть функция управления движением объекта представляет собой рассогласования реальных и программных движений объекта, которые система управления его движением должна сводить к нулю в каждый текущий момент времени.The function of controlling the movement of an object - in the inventive device, this is the sum of the weighted average difference modules determined by the strapdown inertial navigation system of the variables of navigation information and the corresponding time functions that specify the required programmed movements of the object, that is, the function of controlling the movement of the object is a mismatch of real and programmed movements of the object, which are the control system its motion should vanish at every current point in time.
Блок инерциальной информации - устройство, состоящее из трех инерциальных датчиков, каждый из которых построен на вращающемся роторе с установленными указанным выше образом датчиками сил в режиме подшипников скольжения оси вращения; оси вращения трех роторов являются некомпланарными в общем случае, а в частности, являются взаимно перпендикулярными; выходы инерциальных датчиков подключены ко входу локального компьютера по беспроводной технологии передачи информации, в котором инсталлировано программное обеспечение для процедуры определения переменных инерциальной информации на основе первичной информации.Inertial information unit - a device consisting of three inertial sensors, each of which is built on a rotating rotor with force sensors installed in the above manner in the mode of sliding bearings of the axis of rotation; the rotation axes of the three rotors are non-coplanar in the general case, and in particular, are mutually perpendicular; the outputs of inertial sensors are connected to the input of the local computer using a wireless technology for transmitting information in which software is installed for the procedure for determining variables of inertial information based on primary information.
Локальный компьютер - вычислительное устройство, встроенное в блок инерциальной информации или входящее в состав бортового компьютера, в котором хранится информация о структуре блока инерциальных датчиков и в который инсталлировано программное обеспечение, входом в которое являются переменные первичной информации, а выходом являются переменные инерциальной информации.Local computer - a computing device built into the inertial information unit or included in the on-board computer, which stores information about the structure of the inertial sensor unit and into which software is installed, the input to which is the variables of the primary information, and the output is the variables of the inertial information.
Бортовой компьютер - вычислительное устройство, в котором хранится априорная информация о гравитационном поле (Земли), базовом вращении (вращении Земли) и начальных условиях об ориентации, движении и положении объекта, входом которого являются переменные инерциальной информации, а выходом - переменные навигационной информации и в который инсталлировано программное обеспечение для процедуры функционирования бесплатформенной инерциальной навигационной системы, то есть определения переменных навигационной информации и функции управления движением объекта на основе переменных инерциальной и априорной информации; следует отметить, что разделение общего вычислительного устройства (бортового компьютера) бесплатформенной инерциальной навигационной системы на встроенный, локальный и собственно бортовой компьютер является условным с целью удобства пояснения сути вычислительных процедур, реализуемых соответственно в инерциальном датчике, блоке инерциальной информации и собственно в бесплатформенной инерциальной навигационной системе.On-board computer - a computing device that stores a priori information about the gravitational field (of the Earth), the basic rotation (rotation of the Earth) and the initial conditions about the orientation, movement and position of the object, the input of which are variables of inertial information, and the output is the variables of navigation information and which software is installed for the operation procedure of the strapdown inertial navigation system, that is, the definition of the variables of navigation information and the control function movement of an object based on variables of inertial and a priori information; it should be noted that the separation of the general computing device (on-board computer) of the strapdown inertial navigation system into an integrated, local and actually on-board computer is conditional for the purpose of convenience of explaining the essence of the computational procedures implemented respectively in the inertial sensor, inertial information unit and actually in the strapdown inertial navigation system .
Бесплатформенная инерциальная навигационная система - электро-электронно-механическое устройство, состоящее из блока инерциальной информации, подключенного к бортовому компьютеру, выходом которого являются переменные навигационной информации и функция управления движением объекта, поступающие на вход системы управления движением объекта.A strapdown inertial navigation system is an electro-electronic-mechanical device consisting of an inertial information unit connected to an on-board computer, the output of which is navigation information variables and an object’s motion control function, which are input to the object’s motion control system.
Функционирование бесплатформенной инерциальной навигационной системы -процесс получения навигационной информации об ориентации объекта в системе координат, в которой решается задача навигации и управления им (например, направляющих косинусах от земной системы координат к объектной системе координат), движении объекта (проекций вектора скорости полюса объекта в земной системе координат), положении объекта (проекций радиуса-вектора полюса объекта в земной системе координат) и функции управления движением объекта на основе обработки первичной информации с привлечением априорной информации о гравитационном поле Земли, вращении Земли и начальных ориентации, движении и положении объекта относительно Земли.The operation of a strapdown inertial navigation system is the process of obtaining navigation information about the orientation of an object in a coordinate system in which the problem of navigation and its control (for example, directing cosines from the earth coordinate system to the object coordinate system) is solved, the object moves (projections of the object’s pole velocity vector in the earth coordinate system), the position of the object (projections of the radius-vector of the pole of the object in the Earth's coordinate system) and the function of controlling the movement of the object based on processing rvichnoy information involving a priori information about the gravitational field of the earth, the earth's rotation and initial orientation, movement and position of the object relative to the earth.
Идентификация параметров инерциального датчика - процедура определения реальных конструктивных параметров инерциального датчика, основанная на его стендовых испытаниях, физически моделирующих поступательные и угловые движения объекта с обработкой получаемой при этих испытаниях первичной информации с последующим вычислением параметров инерциального датчика; для этой процедуры требуется разработка соответствующего программного обеспечения.Identification of inertial sensor parameters - a procedure for determining the real structural parameters of an inertial sensor based on its bench tests, physically modeling the translational and angular movements of the object with processing of the primary information obtained during these tests, followed by calculation of the parameters of the inertial sensor; this procedure requires the development of appropriate software.
Массогеометрические характеристики инерциального датчика - в заявляемом устройстве - это постоянные во времени параметры: расстояние между опорами оси вращения ротора, масса ротора с осью вращения, координаты центра масс ротора и компоненты тензора инерции ротора в датчиковой системе координат.The mass-geometric characteristics of the inertial sensor in the inventive device are time-constant parameters: the distance between the supports of the axis of rotation of the rotor, the mass of the rotor with the axis of rotation, the coordinates of the center of mass of the rotor and the components of the inertia tensor of the rotor in the sensor coordinate system.
Уровень техникиState of the art
Известна бесплатформенная инерциальная навигационная система, построенная на трех взаимно ортогональных датчиках угловой скорости и трех взаимно ортогональных акселерометрах, выходы которых подключены к бортовому компьютеру, в котором вычисляются переменные навигационной информации и функция управления движением объекта [2, 3, 4].Known strapdown inertial navigation system built on three mutually orthogonal angular velocity sensors and three mutually orthogonal accelerometers, the outputs of which are connected to the on-board computer, in which the variables of navigation information and the function of controlling the movement of the object are calculated [2, 3, 4].
Недостатком этого устройства является невозможность его использования для навигационных измерений в составе инерциального навигационного комплекса для высокоскоростного маневренного объекта [1].The disadvantage of this device is the inability to use it for navigation measurements as part of an inertial navigation complex for a high-speed maneuverable object [1].
Известен способ построения инерциальной навигационной системы [5], заключающийся в установке на объекте бесплатформенной инерциальной навигационной системы, состоящей из блока инерциальной информации, в состав которого входят один датчик углового движения (например, датчик угловой скорости) и один датчик поступательного движения (например, акселерометр), блок инерциальной информации жестко закреплен на оси, приводящейся во вращение двигателем и снабженной тахометром для измерения ее угловой скорости относительно объекта, во время движения объекта измеряют сигналы указанных датчиков в окрестностях координатных осей связанной с объектом системы координат и далее обрабатывают их с привлечением необходимой априорной информации для получения переменных навигационной информации. Известны также и усовершенствования [6, 7, 8] этого способа путем установки датчиков сил на оси вращения и соответствующей обработки измерительной информации. В изобретениях [5, 6, 7, 8] по способам построения инерциальных навигационных систем зафиксирована идея уменьшения количества инерциальных датчиков в системе путем принудительного вращения акселерометра относительно стабилизированной платформы или принудительного вращения относительно объекта двух датчиков, один из которых - акселерометр, второй - датчик угловой скорости. Если в дополнение к этим способам установить на оси вращения датчики сил, то измеряемая ими информация и ее обработка позволит получить избыточную инерциальную информацию с целью использования ее для повышения точности навигационной информации. Область применения таких систем ограничена объектами с медленно-меняющимися или с программно-меняющимися кинематическими характеристиками, то есть такие системы невозможно использовать для навигационных измерений в составе инерциального навигационного комплекса для высокоскоростного маневренного объекта [1] даже в качестве дублирующей основную бесплатформенную инерциальную навигационную систему.A known method of constructing an inertial navigation system [5], which consists in installing on-site inertial inertial navigation system consisting of an inertial information unit, which includes one angular motion sensor (for example, an angular velocity sensor) and one translational motion sensor (for example, an accelerometer ), the inertial information unit is rigidly fixed to the axis, driven by the engine and equipped with a tachometer to measure its angular velocity relative to the object, while The object’s measurements measure the signals of these sensors in the vicinity of the coordinate axes of the coordinate system associated with the object and then process them using the necessary a priori information to obtain navigation information variables. Improvements [6, 7, 8] of this method are also known by installing force sensors on the axis of rotation and the corresponding processing of measurement information. In inventions [5, 6, 7, 8] on methods for constructing inertial navigation systems, the idea of reducing the number of inertial sensors in the system by forcing the accelerometer to rotate relatively to a stable platform or to rotate two sensors relative to the object, one of which is an accelerometer, the second is an angular sensor speed. If, in addition to these methods, force sensors are installed on the axis of rotation, then the information they measure and its processing will make it possible to obtain excessive inertial information in order to use it to increase the accuracy of navigation information. The scope of such systems is limited to objects with slow-changing or with program-changing kinematic characteristics, that is, such systems cannot be used for navigation measurements as part of an inertial navigation complex for a high-speed maneuverable object [1] even as duplicating the main strapdown inertial navigation system.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Задачей заявляемого устройства является обеспечение функциональных и точных навигационных измерений для высокоскоростного маневренного объекта [1].The task of the claimed device is to provide functional and accurate navigation measurements for a high-speed maneuverable object [1].
Решение поставленной задачи основано на следующих идеях: 1) использование нескольких однотипных инерциальных датчиков для построения блока инерциальной информации; 2) использование в качестве основного элемента инерциального датчика ротора, ось вращения которого неподвижно установлена в подшипники скольжения, в качестве которых использованы работающие на сжатие датчики сил [10, 11], установленные на оси вращения ротора таким образом, чтобы на основе их сигналов можно было определить реакции опор оси вращения ротора; 3) идентификация параметров каждого инерциального датчика в блоке инерциальной информации и использование величин этих параметров при вычислении переменных инерциальной информации в течение всего интервала времени навигационных измерений.The solution to this problem is based on the following ideas: 1) the use of several of the same type of inertial sensors to build a block of inertial information; 2) use as the main element of the inertial sensor of the rotor, the axis of rotation of which is fixedly mounted in the plain bearings, which are used as compressive force sensors [10, 11], mounted on the axis of rotation of the rotor so that on the basis of their signals it was possible determine the reaction of the supports of the axis of rotation of the rotor; 3) identification of the parameters of each inertial sensor in the inertial information unit and the use of the values of these parameters in the calculation of inertial information variables during the entire time interval of navigation measurements.
Поставленная задача решается тем, что бесплатформенная инерциальная навигационная система состоит из трех инерциальных датчиков, каждый из которых построен на роторе, приводящемся во вращение моментным двигателем и снабженным датчиками угла, угловой скорости и углового ускорения [9]; каждый ротор вращается вокруг оси, установленной в два опорных узла, каждый из которых представляет собой пять датчиков сил, четыре из которых перпендикулярны оси и взаимно перпендикулярны, а пятый установлен вдоль оси на ее торце, указанные датчики силы контактируют с осью в режиме подшипника скольжения, а противоположные концы датчиков сил контактируют с корпусом, жестко установленном на объекте, каждый датчик силы выдает сигнал, рваный его силе сжатия; выходы датчиков сил и датчиков угла, угловой скорости и углового ускорения подключены к входу встроенного компьютера по беспроводной технологии передачи информации.The problem is solved in that the strapdown inertial navigation system consists of three inertial sensors, each of which is built on a rotor driven by a torque motor and equipped with sensors of angle, angular velocity and angular acceleration [9]; each rotor rotates around an axis installed in two support units, each of which is five force sensors, four of which are perpendicular to the axis and mutually perpendicular, and the fifth is installed along the axis at its end, these force sensors contact the axis in the sliding bearing mode, and the opposite ends of the force sensors are in contact with the body, rigidly mounted on the object, each force sensor generates a signal torn by its compression force; the outputs of the force sensors and sensors of the angle, angular velocity and angular acceleration are connected to the input of the built-in computer using wireless information transfer technology.
На основе измеряемых угла поворота ротора, его угловой скорости, его углового ускорения и сигналов датчиков сил далее последовательно: 1) во встроенном компьютере вычисляют пять сил реакций опор оси вращения ротора для каждого инерциального датчика, 2) в локальном компьютере вычисляют восемнадцать переменных инерциальной информации, 3) в бортовом компьютере вычисляют пятнадцать переменных навигационной информации с привлечением априорной информации об угловой скорости Земли, ее гравитационном поле и начальных условиях о движении объекта, а затем вычисляют функцию управления движением объекта с привлечение априорной информации о программных законах движения объекта во времени. Подача сигналов датчиков сил в локальный компьютер осуществляется по беспроводной технологии передачи информации [12].Based on the measured angle of rotation of the rotor, its angular velocity, its angular acceleration and the signals of the force sensors, then sequentially: 1) five reaction forces of the supports of the rotor axis of rotation for each inertial sensor are calculated in the built-in computer, 2) eighteen variables of inertial information are calculated in the local computer, 3) in the on-board computer, fifteen variables of navigation information are calculated using a priori information about the angular velocity of the Earth, its gravitational field and the initial conditions about the movement of the object that, and then calculate the function of controlling the movement of the object with the use of a priori information about the software laws of motion of the object in time. The supply of signals from force sensors to the local computer is carried out using wireless technology for transmitting information [12].
Осуществление изобретенияThe implementation of the invention
На фиг. 1 показана схема инерциального датчика, построенного на основе ротора, установленного в двух опорах, в каждую из которых вмонтированы по пять датчиков сил в режимах подшипников скольжения для оси ротора. Инерциальный датчик (фиг. 1) является одним из нескольких (не менее трех) инерциальных датчиков, входящих в состав бесплатформенной инерциальной навигационной системы. На оси вращения 1 ротора 2, приводимого в движение моментным двигателем 3 с измерениями угла поворота ротора, его угловой скорости и его углового ускорения единым датчиком 4, в ее нижней и верхней (по фиг. 1) опорах установлены по пять работающих на сжатие датчиков сил 5, четыре из которых перпендикулярны оси и взаимно перпендикулярны, а два датчика силы установлены вдоль оси по ее торцам, указанные датчики силы контактируют с осью в режиме подшипников скольжения, а противоположные концы датчиков силы контактируют с корпусом (обозначенном на фиг. 1 штриховкой), жестко установленном на объекте, каждый датчик силы выдает сигнал, равный его силе сжатия; ротор приводится в движение моментным двигателем, выходы датчиков сил и единого датчика угла, угловой скорости и углового ускорения подключены к входу встроенного компьютера по беспроводной технологии передачи информации [12]. Датчик силы представляет собой работающий на сжатие пьезоэлектрический элемент [10, 11], сигнал которого пропорционален действующей на него силы сжатия. Следует отметить, что каждый датчик силы предварительно поджат и выставлен на нуль его сигал в этом предварительно поджатом состоянии из того условия, что при уменьшении силы сжатия у него появляется сигнал, соответствующий силе противоположного направления по отношению к силе, обеспечивающей его предварительное поджатие. Указанное предварительное поджатие каждого датчика силы рассчитано таким образом, что эти датчики способны измерять весь диапазон сил, обусловленных движением объекта, для которого предназначена бесплатформенная инерциальная навигационная система. Каждый датчик силы подключен к встроенному компьютеру 6, в котором на основе сигналов десяти датчиков сил (первичной информации) вычисляют реакции опор оси вращения: три проекции Fi (i=l, 2, 3) вектора силы реакции нижней опоры и две проекции Nj (j=1, 2) вектора силы верхней опоры оси вращения ротора в установочной системе координат. Следует также отметить, что единый датчик 4 угла поворота ротора, его угловой скорости и его углового ускорения может представлять собой тахометр [13], то есть измеритель угловой скорости вращения ротора с подключенными к нему интегрирующему устройству (выходом которого является угол поворота ротора) и дифференцирующему устройству (выходом которого является угловое ускорение ротора). Инерциальный датчик, схема которого изображена на фиг. 1, пронумерован позицией 7.In FIG. Figure 1 shows a diagram of an inertial sensor built on the basis of a rotor installed in two supports, each of which has five force sensors mounted in sliding bearing modes for the rotor axis. The inertial sensor (Fig. 1) is one of several (at least three) inertial sensors that are part of the strapdown inertial navigation system. On the axis of
На фиг. 2 изображена схема блока инерциальной информации, построенного на трех инерциальных датчиках 7 указанного выше типа, подключенных к локальному компьютеру 8. С корпусом блока инерциальной информации связана объектная система координат OYY1Y2Y3. Выходная информация встроенных компьютеров каждого инерциального датчика подана на вход локального компьютера 8, выходная информация которого - это восемнадцать переменных xi, i=l, … 18 инерциальной информации и в котором осуществляются вычисления этих переменных на основе вычисленных во встроенных компьютерах трех инерциальных датчиков реакций опор оси вращения и на основе заданных вращающих моментов роторов и измеренных углов его поворота, угловой скорости и углового ускорения. Блок инерциальной информации, изображенный на фиг. 2, пронумерован позицией 9.In FIG. 2 shows a diagram of an inertial information unit built on three
На фиг. 3. изображена бесплатформенная инерциальная навигационная система, состоящая из последовательно соединенных блока инерциальной информации 9, бортового компьютера 10 и блока 11 вычисления функции управления движением объекта. Совокупность перечисленных устройств 9, 10, 11 и представляет собой бесплатформенную инерциальную навигационную систему 12, установленную на объекте 13, движущемся относительно Земли 14. Выходной информацией блока инерциальной информации 9 являются переменные xi, i=l, … 30 инерциальной информации, поступающие из локального компьютера 8 на вход бортового компьютера 10, в котором хранится априорная информация о вращении Земли, ее гравитационном поле и начальных условиях движения объекта. Выходная информация бортового компьютера 10 - это вычисляемые в каждый текущий момент времени движения объекта пятнадцать переменных навигационной информации: девять направляющих косинусов Cij, I,j=1, 2, 3 от земной географической к объектной системе координат, три проекции Vi, i=1, 2, 3 вектора скорости полюса объекта и три проекции Ri, i=1, 2, 3 радиуса-вектора полюса объекта в земной географической системе координат. Указанные переменные навигационной информации поступают на вход блока 11 вычисления функции F управления движением объекта, которая далее подается в систему управления его движением относительно Земли.In FIG. 3. depicts a strapdown inertial navigation system consisting of a series of
На фиг. 4 представлена схема опорных узлов ротора инерциального датчика с наименованиями каждого из десяти датчиков сил, математическое описание обработки информации, получаемой с указанных опорных узлов приведено далее в тексте описания.In FIG. 4 is a diagram of the reference nodes of the rotor of the inertial sensor with the names of each of the ten force sensors, a mathematical description of the processing of information received from these reference nodes is given later in the description text.
На фиг. 5 изображена блок-схема алгоритма функционирования бесплатформенной инерциальной навигационной системы, краткое математическое описание для которого приведено далее.In FIG. 5 shows a block diagram of an algorithm for the operation of a strapdown inertial navigation system, a brief mathematical description of which is given below.
На фиг. 6 изображена блок-схема алгоритма функционирования имитационной модели бесплатформенной инерциальной навигационной системы, краткое математическое описание для которого приведено далее.In FIG. Figure 6 shows a block diagram of an algorithm for operating a simulation model of a strapdown inertial navigation system, a brief mathematical description of which is given below.
Устройство работает следующим образомThe device operates as follows
Для пояснения работы заявляемого устройства необходимо привести краткое пояснение математических описаний функционирования инерциального датчика, бока инерциальной информации и бесплатформенной инерциальной навигационной системы.To explain the operation of the claimed device, it is necessary to provide a brief explanation of the mathematical descriptions of the functioning of the inertial sensor, the side of inertial information and strapdown inertial navigation system.
Рассмотрим инерциальный датчик (фиг. 1) как механическую систему, представляющую собой ротор, установленный своей осью вращения в подшипники скольжения на произвольно движущемся в инерциальном пространстве объекте. Применяя к указанной механической системе теорему об изменении главного вектора количеств движения и теорему об изменении главного момента количеств движения относительно точки Oj, принадлежащей инерциальной системе отсчета, составляем шесть скалярных уравнений:Consider the inertial sensor (Fig. 1) as a mechanical system, which is a rotor mounted by its axis of rotation in the plain bearings on an object arbitrarily moving in inertial space. Applying to the indicated mechanical system a theorem on a change in the principal momentum vector of motion and a theorem on a change in the principal moment of momentum relative to a point O j belonging to an inertial reference frame, we compose six scalar equations:
где Ωi, εi, wi - проекции на оси объектной системы координат соответственно векторов абсолютной угловой скорости, абсолютного углового ускорения и кажущегося ускорения полюса объекта; 
где Fi - силы реакции «нижней» (по фиг. 1) опоры оси вращения ротора (i=1, 2, 3); Ni -силы реакций «верхней» (по фиг. 1) опоры оси вращения ротора (i=l, 2); Dij - символ Кронеккера; М0- момент, приложенный к ротору; h - расстояние между опорами оси вращения ротора (фиг. 4), Aq i0, i=1, 2, 3; Bq i0, i=4, 5 - величины, зависящие от массогеометрических характеристик инерциального датчика и закона вращения ротора во времени: угла, угловой скорости и углового ускорения.where F i - reaction forces of the "lower" (in Fig. 1) bearings of the axis of rotation of the rotor (i = 1, 2, 3); N i are the forces of reactions of the “upper” (in Fig. 1) support of the axis of rotation of the rotor (i = l, 2); D ij is the Kronecker symbol; M 0 is the moment applied to the rotor; h is the distance between the supports of the axis of rotation of the rotor (Fig. 4), A q i0 , i = 1, 2, 3; B q i0 , i = 4, 5 - quantities depending on the mass-geometric characteristics of the inertial sensor and the law of rotation of the rotor in time: angle, angular velocity and angular acceleration.
Обозначая символом ri,j величину сигнала датчика силы Sij (фиг. 4) в размерности силы, то есть с учетом соответствующих коэффициентов пропорциональности, записываем зависимости указанных реакций опор оси вращения от сигналов датчиков сил:Denoting by the symbol r i, j the magnitude of the signal of the force sensor S ij (Fig. 4) in the dimension of force, that is, taking into account the corresponding proportionality coefficients, we write down the dependences of the indicated reactions of the supports of the axis of rotation on the signals of the force sensors:
Зависимости (4) записаны для одного инерциального датчика, установленного осью вращения ротора по одной из координатных осей объектной системы координат. Аналогичные зависимости будут иметь место для двух других инерциальных датчиков, установленных осями вращения ротора по двум другим координатным осям объектной системы координат.Dependences (4) are recorded for one inertial sensor installed by the axis of rotation of the rotor along one of the coordinate axes of the object coordinate system. Similar dependencies will take place for two other inertial sensors installed by the rotor axes of rotation of the rotor along two other coordinate axes of the object coordinate system.
Список переменных величин и параметров инерциального датчика, а также параметров его установки на объекте, от которых зависят коэффициенты уравнений (1):The list of variables and parameters of the inertial sensor, as well as the parameters of its installation on the object, on which the coefficients of equations (1) depend:
m - масса ротора с осью вращения;m is the mass of the rotor with the axis of rotation;
Θij -компоненты тензора инерции ротора с осью вращения в датчиковой системе координат;Θ ij are the components of the inertia tensor of the rotor with the axis of rotation in the sensor coordinate system;
ρj - проекции радиуса-вектора центра масс ротора с осью вращения в датчиковой системе координат;ρ j - projection of the radius vector of the center of mass of the rotor with the axis of rotation in the sensor coordinate system;
q - угол поворота ротора вокруг его оси вращения;q is the angle of rotation of the rotor around its axis of rotation;
Lj - проекции радиуса-вектора начала Ох датчиковой системы координат относительно начала OY объектной системы координат на оси объектной системы координат, j=l, 2, 3; βi - углы установки оси вращения ротора инерциального датчика относительно объектной системы координат, i=l, 2.L j - the projection of the radius vector of the origin O x sensor coordinate system relative to the origin O Y of the object coordinate system on the axis of the object coordinate system, j = l, 2, 3; β i - angles of installation of the axis of rotation of the rotor of the inertial sensor relative to the object coordinate system, i = l, 2.
Следует выделить пять замечаний.Five points should be highlighted.
Первое. Ротор инерциального датчика, используемый в заявляемом устройстве, представляет собой твердое тело, которое в общем случае не является статически и динамически отбалансированным, то есть оно имеет произвольные массогеометрические характеристики: координаты центра масс и произвольные компоненты его тензора инерции (три осевых и три центробежных момента инерции). Для превращения такого ротора в инерциальный датчик, его снабжают опорными узлами с установленными указанным выше способом датчиками сил, моментным двигателем и датчиками его угла поворота, его угловой скорости и его углового ускорения относительно объекта. При заданном моменте, приложенном к оси вращения ротора и на основе измерений сигналов датчиков сил, датчиков его угла поворота, его угловой скорости и его углового ускорения вычисляются указанные выше переменные инерциальной информации. Точность переменных инерциальной информации будет зависеть от точности идентификации массогеометрических характеристик ротора, от точности задания момента, приложенного к оси вращения ротора и от точности измерений сигналов датчиков сил, датчиков угла поворота ротора, его угловой скорости и его углового ускорения.The first one. The inertial sensor rotor used in the claimed device is a solid body, which in the general case is not statically and dynamically balanced, that is, it has arbitrary mass-geometric characteristics: coordinates of the center of mass and arbitrary components of its inertia tensor (three axial and three centrifugal moments of inertia ) To turn such a rotor into an inertial sensor, it is equipped with support units with force sensors installed in the above method, a torque motor and sensors of its rotation angle, its angular velocity and its angular acceleration relative to the object. For a given moment applied to the axis of rotation of the rotor and based on measurements of the signals of force sensors, sensors of its rotation angle, its angular velocity and its angular acceleration, the above-mentioned inertial information variables are calculated. The accuracy of the inertial information variables will depend on the accuracy of identification of the mass-geometric characteristics of the rotor, on the accuracy of setting the moment applied to the axis of rotation of the rotor, and on the accuracy of measurements of the signals of force sensors, rotor angle sensors, its angular velocity and its angular acceleration.
Второе. Все вышеперечисленные параметры инерциального датчика должны быть настолько точно идентифицированы, насколько это позволяют существующие современные средства стендовых испытаний, соответствующих этим стендам измерений и обработки информации, так как от точности идентификации параметров инерциальных датчиков будет зависеть точность вычисляемых величин реакций опор подвеса во встроенном компьютере, переменных инерциальной информации в локальном компьютере и переменных навигационной информации в бортовом компьютере.The second one. All of the above parameters of the inertial sensor should be identified as accurately as possible with existing modern bench test tools that correspond to these measurement and information processing stands, since the accuracy of the calculated parameters of the inertial sensors will depend on the accuracy of the calculated reaction values of the suspension supports in the built-in computer, inertial variables information in the local computer; and navigation information variables in the on-board computer.
Третье. Уравнения (1) для рассматриваемого инерциального датчика получены при произвольных величинах его параметров и при произвольной его установке на произвольно движущийся в пространстве объект. Если принять величины параметров инерциального датчика не произвольными, а удовлетворяющими некоторым ограничениям, достигаемым специальными конструктивными разработками, а также установить его не произвольным, а частным образом на объект, который совершает не произвольное, а некоторое частное движение, то из уравнений (1) можно «удалить» некоторые слагаемые и иметь не восемнадцать переменных инерциальной информации, как это имеет место в общем случае, а меньше. В этих случаях и построение блока инерциальной информации возможно на меньшем количестве инерциальных датчиков. Другими словами, можно специальными конструктивными разработками, реализованными в соответствии с критериями параметрического синтеза, обнулить коэффициенты при некоторых слагаемых в уравнениях (1) и превратить рассматриваемый инерциальный датчик общего вида в инерциальный датчик специального вида, например, в датчик угловой скорости, датчик углового ускорения, датчик кажущегося ускорения. Но следует иметь в виду, что указанные конструктивные разработки необходимо реализовывать с предельно высокой точностью, которая возможна при современной технологической культуре производства. Поэтому возникает альтернатива: точно идентифицировать реальные параметры инерциального датчика и пользоваться общими уравнениями (1) для получения в конечном итоге переменных навигационной информации или превратить инерциальный датчик общего вида в инерциальный датчик специального вида путем специальных конструктивных разработок с применением наиболее точной технологии реализации этих разработок. В заявляемом устройстве использован первый вариант, хотя второй вариант после выполнения необходимых теоретических исследований также имеет право на существование.The third. Equations (1) for the inertial sensor under consideration were obtained for arbitrary values of its parameters and for its arbitrary installation on an object moving arbitrarily in space. If we take the values of the parameters of the inertial sensor not arbitrary, but satisfying certain restrictions achieved by special design developments, and also installing it not arbitrarily, but in a particular way on an object that performs not arbitrary, but some particular movement, then from equations (1) we can remove ”some terms and have not eighteen variables of inertial information, as is the case in the general case, but less. In these cases, the construction of a block of inertial information is possible with fewer inertial sensors. In other words, it is possible to reset the coefficients for some terms in equations (1) by special constructive designs implemented in accordance with the parametric synthesis criteria and turn the general inertial sensor under consideration into a special type inertial sensor, for example, into an angular velocity sensor, an angular acceleration sensor, apparent acceleration sensor. But it should be borne in mind that these design developments must be implemented with extremely high accuracy, which is possible with a modern technological culture of production. Therefore, an alternative arises: to accurately identify the real parameters of the inertial sensor and use the general equations (1) to ultimately obtain navigation information variables or to turn the general inertial sensor into a special type inertial sensor using special design developments using the most accurate technology for implementing these developments. In the inventive device used the first option, although the second option after performing the necessary theoretical studies also has the right to exist.
Четвертое. Шестое уравнение системы (1) описывает вращение ротора вокруг его оси при заданном моменте М0, приложенном к этой оси. В частности, имеют место следующие варианты движения ротора: 1) отсутствие вращения, в этом случае ротор является инерционным телом; 2) вращение с постоянной угловой скоростью, которое может быть обеспечено специальным динамическим синтезом, в этом случае ротор представляет собой гиромотор и слагаемые в четвертом и пятом уравнениях системы (1), содержащие проекции вектора абсолютной угловой скорости объекта, приобретают значительные величины по сравнению с остальными слагаемыми - в этом режиме при определенных условиях инерциальный датчик может быть датчиком одной из проекций абсолютной угловой скорости объекта в объектной систем координат; 3) возвратно-вращательное движение ротора; 4) произвольное вращение ротора.Fourth. The sixth equation of system (1) describes the rotation of the rotor around its axis for a given moment M 0 applied to this axis. In particular, the following variants of the rotor motion take place: 1) lack of rotation, in this case the rotor is an inertial body; 2) rotation with a constant angular velocity, which can be provided by special dynamic synthesis, in this case the rotor is a gyromotor and the terms in the fourth and fifth equations of system (1) containing the projections of the absolute angular velocity vector of the object acquire significant values compared to the others terms - in this mode, under certain conditions, the inertial sensor can be a sensor of one of the projections of the absolute angular velocity of the object in the object coordinate systems; 3) the rotational motion of the rotor; 4) arbitrary rotation of the rotor.
Пятое. Уравнения системы (1) получены при произвольных величинах проекций радиуса-вектора центра масс ротора и произвольных величинах компонент его тензора инерции. В частности, при статической и динамической балансировке симметричного относительно сои ротора его центр масс будет расположен на оси вращения и тензор инерции будет иметь диагональный вид - в этом случае при обеспечении точной балансировки в уравнениях системы (1) будут отсутствовать слагаемые, содержащие произведения проекций вектора абсолютной угловой скорости объекта.Fifth. The equations of system (1) are obtained for arbitrary values of the projections of the radius-vector of the center of mass of the rotor and for arbitrary values of the components of its inertia tensor. In particular, during the static and dynamic balancing of a rotor symmetric with respect to soybean, its center of mass will be located on the axis of rotation and the inertia tensor will have a diagonal form - in this case, with accurate balancing, in the equations of system (1) there will be no terms containing products of projections of the absolute vector angular velocity of the object.
Перечисленные выше замечания являются основой для постановок задач соответствующих исследований частных случаев, а в заявляемом устройстве использован общий случай, о котором указано в третьем замечании.The above comments are the basis for the formulation of the tasks of the corresponding studies of particular cases, and in the inventive device the general case is used, which is indicated in the third remark.
Согласно схеме блока инерциальной информации (фиг. 2), в его состав входят три инерциальных датчика, математическое описание каждого из которых представлено шестью уравнениями (1), в каждое из которых в общем случае при произвольных величинах параметров инерциальных датчиков входит по восемнадцать переменных инерциальной информации вида:According to the scheme of the inertial information block (Fig. 2), it consists of three inertial sensors, the mathematical description of each of which is represented by six equations (1), each of which in the general case for arbitrary values of the parameters of inertial sensors includes eighteen variables of inertial information type:
Заметим, что переменные Ωi, Wi i=1, 2, 3 инерциальной информации из перечисленных в (4) являются основными, а остальные - избыточными, которые следует использовать для проверки правильности вычислений основных, например, путем проверки выполнения тождеств:Note that the variables Ω i , W i i = 1, 2, 3 of the inertial information from those listed in (4) are the main ones, and the rest are redundant, which should be used to verify the correctness of the basic calculations, for example, by checking the identity:
то есть повышения надежности определения указанных переменных, а значит и повышения надежности определения переменных навигационной информации и функции управления движением объекта. Можно показать, что в общем случае инерциальные датчики, входящие в состав блока инерциальной информации, должны иметь неодинаковые параметры, перечисленные выше, для того, чтобы решения системы линейных алгебраических уравнений:that is, increasing the reliability of determining these variables, and therefore increasing the reliability of determining variables of navigation information and the function of controlling the movement of an object. It can be shown that in the general case, the inertial sensors that are part of the inertial information unit must have the unequal parameters listed above in order to solve the system of linear algebraic equations:
1313
относительно переменных инерциальной информации существовали и были единственными, где a ij - коэффициенты, зависящие от времени в силу наличия закона вращения ротора во времени и от конструктивных параметров трех инерциальных датчиков, Bi - правые части, зависящие от величин реакций (3), определенных на основе измеряемых сигналов датчиков сил трех инерциальных датчиков, то есть тридцати датчиков сил. Решая систему линейных алгебраических уравнений (6) в локальном компьютере блока инерциальной информации (фиг. 2), получаем величины переменных инерциальной информации (4), из которых переменные Ωi, Wi, i=1, 2, 3 являются основными и необходимыми для реализации алгоритма функционирования бесплатформенной инерциальной навигационной системы, а остальные переменные инерциальной информации из перечня (4) являются избыточными и должны быть использованы для проверки правильности определения основных переменных инерциальной информации, то есть должны быть использованы для повышения надежности получаемой инерциальной информации, а, следовательно, и повышения надежности определения переменных навигационной информации и функции управления движением объекта.with respect to variables of inertial information, they existed and were the only ones, where a ij are coefficients depending on time due to the law of rotor rotation in time and on the design parameters of three inertial sensors, B i are the right parts depending on the reaction values (3) defined on based on the measured signals of the force sensors of three inertial sensors, that is, thirty force sensors. Solving the system of linear algebraic equations (6) in the local computer of the inertial information block (Fig. 2), we obtain the values of the inertial information variables (4), of which the variables Ω i , W i , i = 1, 2, 3 are basic and necessary for the implementation of the algorithm for the operation of the strapdown inertial navigation system, and the remaining variables of inertial information from the list (4) are redundant and should be used to verify the correctness of the determination of the main variables of inertial information, i.e. lzhny be used to improve the reliability of the inertial information and hence improve the reliability and variable definitions navigation information and traffic control function entity.
Согласно схеме бесплатформенной инерциальной навигационной системы (фиг. 3) в бортовом компьютере должен быть реализован алгоритм ее функционирования на основе вычисленных переменных инерциальной информации Ωi, Wi, i=1, 2, 3, математическое описание для которого представляет собой систему пятнадцати обыкновенных дифференциальных уравнений:According to the scheme of the strapdown inertial navigation system (Fig. 3), the on-board computer must implement an algorithm for its operation based on the calculated inertial information variables Ω i , W i , i = 1, 2, 3, the mathematical description of which is a system of fifteen ordinary differential equations:
и систему шести алгебраических уравнений, выражающих условия ортогональности и масштаба для направляющих косинусов от земной географической к объектной системе координат:and a system of six algebraic equations expressing the conditions of orthogonality and scale for the directing cosines from the earth's geographical to the object coordinate system:
где введены обозначения: Sijk - символ Леви-Чивита, Dij -символ Кронеккера, Ui, gi - проекции соответственно векторов угловой скорости Земли и гравитационного ускорения полюса объекта в земной географической системе координат; Ωi, Wi - проекции соответственно векторов абсолютной угловой скорости объекта и кажущегося ускорения полюса объекта в объектной системе координат, являющиеся основными переменными инерциальной информации; Cij - направляющие косинусы от земной географической системы координат к объектной системе координат; Vi, Ri - проекции соответственно векторов скорости полюса объекта и радиуса-вектора полюса объекта (то есть координат объекта) в земной географической системе координат; C0 ij, V0 i, R0 i - значения соответственно переменных Cij, Vi, Ri в начальный момент времени навигации объекта, то есть начальные условия движения объекта. Функция управления движением объекта может быть представлена в виде:where the notation is introduced: S ijk is the Levi-Civita symbol, D ij is the Kronecker symbol, U i , g i are the projections of the angular velocity of the Earth and the gravitational acceleration of the object’s pole in the geographic coordinate system, respectively; Ω i , W i - projections, respectively, of the vectors of the absolute angular velocity of the object and the apparent acceleration of the pole of the object in the object coordinate system, which are the main variables of inertial information; C ij - directional cosines from the terrestrial geographical coordinate system to the object coordinate system; V i , R i are the projections, respectively, of the velocity vectors of the pole of the object and the radius vector of the pole of the object (that is, the coordinates of the object) in the terrestrial geographical coordinate system; C 0 ij , V 0 i , R 0 i are the values of the variables C ij , V i , R i , respectively, at the initial time of navigation of the object, that is, the initial conditions for the movement of the object. The function of controlling the movement of an object can be represented as:
где С* ij, V* i, R* i - программные функции времени переменных навигационной информации, соответствующие переменным Cij, Vi, Ri, вычисленным в бортовом компьютере бесплатформенной инерциальной навигационной системы; 
где CB ij,VB i, RB i - наибольшие значения переменных Cij, Vi, Ri на интервале времени [t0;T] навигации объекта; 
Заметим, что функция (9) с учетом введенных весовых коэффициентов (10), (11) представляет собой относительную величину рассогласования между программными и определяемыми бесплатформенной инерциальной навигационной системой переменными навигационной информации в каждый текущий момент времени из интервала [t0;T]. Далее, аналогично тому, как это было сделано для восемнадцати переменных инерциальной информации, целесообразно ввести единые обозначения для пятнадцати переменных навигационной информации:Note that the function (9), taking into account the introduced weighting factors (10), (11), represents the relative value of the mismatch between the software and the navigation information variables determined by the strapdown inertial navigation system at each current time from the interval [t 0 ; T]. Further, in the same way as it was done for eighteen variables of inertial information, it is advisable to introduce uniform notation for fifteen variables of navigation information:
тогда систему уравнений (7) можно записать в виде:then the system of equations (7) can be written as:
уравнения (8) можно записать в виде:equations (8) can be written as:
функцию управления (9) можно записать в виде:control function (9) can be written as:
где введены обозначения для размерных весовых коэффициентов:where designations for dimensional weighting factors are introduced:
а также введены обозначения: у*k - программные функции времени переменных навигационной информации, соответствующие переменным yk; yB k - наибольшие значения переменных ук на интервале времени [t0;T] навигации объекта, γ0 k - безразмерные весовые коэффициенты, удовлетворяющие условию (11), которое в новых обозначениях переменных навигационной информации принимает вид:and also the notation is introduced: y * k are the program functions of the time of the variables of navigation information corresponding to the variables y k ; y B k are the largest values of the variables yk on the time interval [t 0 ; T] of the object’s navigation, γ 0 k are dimensionless weighting coefficients satisfying condition (11), which in the new notation of the variables of navigation information takes the form:
На основе выполненного математического описания составлен алгоритм функционирования бесплатформенной инерциальной навигационной системы, который поясняет работу заявленного устройства. Блок-схема этого алгоритма представлена на фиг. 5. В блоке 0 перечислена исходная информация, хранимая в бортовом компьютере, и предназначенная для осуществления вычислений в блоках 1, 2, 3 алгоритма. После измерения сигналов датчиков сил в блоке 1 вычисляются реакции опор осей вращения роторов трех инерциальных датчиков по формулам (3) в блоке 2, которые используются для вычисления в блоке 3 коэффициентов a ij на основе коэффициентов 
Правильность приведенного выше алгоритма функционирования бесплатформенной инерциальной навигационной системы зависит от достоверности информации сигналов датчиков сил и, соответственно, от правильного вычисления сил реакций опор осей вращения роторов трех инерциальных датчиков, входящих в состав блока инерциальной информации. Проверка указанных достоверности и правильности должна быть реализована экспериментально после изготовления конструкций опорных узлов (фиг. 4) трех инерциальных датчиков. После проведения этих процедур и получения требуемых результатов остается вопрос о проверке достоверности алгоритма вычисления восемнадцати переменных xi, i=l, …, 18 инерциальной информации и пятнадцати переменных yk, k=1, …, 15 навигационной информации. Этот вопрос может быть решен теоретически на основе построенной имитационной модели функционирования бесплатформенной инерциальной навигационной системы, о которой далее идет речь. Для построения указанной имитационной модели необходимо задать информацию о кинематических характеристиках объекта, для навигации которого предполагается использовать бесплатформенную инерциальную навигационную систему. Эти кинематические характеристики можно задать в виде функций времени:The correctness of the above algorithm for the operation of the strapdown inertial navigation system depends on the reliability of the information of the force sensor signals and, accordingly, on the correct calculation of the reaction forces of the supports of the rotational axes of the rotors of the three inertial sensors included in the inertial information block. Verification of the indicated reliability and correctness should be implemented experimentally after manufacturing the structures of the support nodes (Fig. 4) of three inertial sensors. After carrying out these procedures and obtaining the required results, the question remains of verifying the reliability of the algorithm for calculating eighteen variables x i , i = l, ..., 18 inertial information and fifteen variables y k , k = 1, ..., 15 navigation information. This issue can be solved theoretically on the basis of the constructed simulation model of the operation of the strapdown inertial navigation system, which is discussed later. To build the specified simulation model, it is necessary to specify information about the kinematic characteristics of the object, for the navigation of which it is supposed to use a strap-down inertial navigation system. These kinematic characteristics can be specified as functions of time:
где 
являющиеся имитациями соответствующих переменных xi инерциальной информации, и далее определяются переменные:which are imitations of the corresponding variables x i inertial information, and then the variables are determined:
являющиеся имитациями соответствующих переменных yi навигационной информации. Подставляя переменные (19) в формулы (1) для трех инерциальных датчиков, получаем имитации реакций опор осей вращения роторов этих инерциальных датчиков и затем получаем имитации B0 i правых частей системы (6), вместо которой получаем соответствующую имитационную систему линейных алгебраических уравнений:which are imitations of the corresponding variables y i navigation information. Substituting variables (19) into formulas (1) for three inertial sensors, we obtain simulations of the reactions of the supports of the rotational axes of the rotors of these inertial sensors and then we obtain simulations B 0 i of the right-hand sides of system (6), instead of which we obtain the corresponding simulation system of linear algebraic equations:
Решая эту систему относительно xi и сравнивая полученные решения с соответствующими переменными x0 i, делаем вывод о правильности или неправильности алгоритма вычисления переменных инерциальной информации. В случае правильности на основе этого алгоритма следует разработать программу и инсталлировать эту программу в локальный компьютер. Далее, используя имитации x0 i переменных инерциальной информации, на основе алгоритма функционирования бесплатформенной инерциальной навигационной системы путем решения системы обыкновенных дифференциальных уравнений (13) относительно yi и сравнивая полученные решения с соответствующими переменными y0 i, делаем вывод о правильности или неправильности алгоритма вычисления переменных навигационной информации. В случае правильности на основе этого алгоритма следует разработать программу и инсталлировать эту программу в бортовой компьютер. Блок-схема этого алгоритма представлена на фиг. 6. В блоке 0 перечислена исходная информация, в состав которой входит указанная выше информация о кинематических характеристиках объекта (18), на основе которой вычисляются переменные (19), (20) соответственно в блоках 1, 2. В блоке 3 вычисляются реакции опор осей вращения роторов трех инерциальных датчиков с использованием формул (1), читая их справа налево, и далее в блоках 4, 5 вычисляются правые части системы (6) и коэффициенты этой системы, после чего в блоке 6 решается соответствующая имитационная система (21). Полученные решения в блоке 7 сравниваются с соответствующими переменными (19) и в случае их несовпадения осуществляется поиск ошибок первого уровня (А) и возврат к блоку 3. Далее основные переменные инерциальной информации из перечня (19) подставляются в систему (13) и в блоке 8 решается эта система и полученные решения в блоке 9 сравниваются с переменными (20) и в случае их несовпадения осуществляется поиск ошибок второго уровня (Б) и возврат к блоку 8. На основе описанного алгоритма следует разработать программы для локального и бортового компьютеров, которые при их отладке и устранения ошибок первого и второго уровней (А и Б) должны быть инсталлированы в локальный и бортовой компьютеры и в дальнейшем проверены при натурных испытаниях заявляемого устройства.Solving this system with respect to x i and comparing the obtained solutions with the corresponding variables x 0 i , we conclude that the algorithm for computing the variables of inertial information is correct or incorrect. If correct, based on this algorithm, you should develop a program and install this program on a local computer. Further, using simulations of x 0 i variables of inertial information, based on the algorithm of functioning of a strapdown inertial navigation system by solving a system of ordinary differential equations (13) with respect to y i and comparing the obtained solutions with the corresponding variables y 0 i , we conclude that the calculation algorithm is correct or incorrect navigation information variables. If correct, based on this algorithm, you should develop a program and install this program in the on-board computer. A block diagram of this algorithm is shown in FIG. 6. In
Итак, для доказательства принципиальной работоспособности заявляемого устройства составлен и пояснен математическими описаниями алгоритм функционирования бесплатформенной инерциальной навигационной системы (фиг. 5), представляющий собой последовательность операций ввода исходной информации, измерения и вычисления, выходом которого являются переменные навигационной информации и функция управления движением объекта. Для доказательства принципиальной реализуемости работоспособности заявляемого устройства при навигации объекта с заданными кинематическими характеристиками составлен и пояснен математическими описаниями алгоритм имитационной модели функционирования бесплатформенной инерциальной навигационной системы (фиг. 6) с целью контроля правильности вычислений переменных инерциальной информации и переменных навигационной информации при разработке программ для локального и бортового компьютеров.So, to prove the principal operability of the claimed device, an algorithm for the operation of a strapdown inertial navigation system (Fig. 5) is compiled and explained by mathematical descriptions, which is a sequence of operations for inputting initial information, measurement and calculation, the output of which is navigation information variables and an object's motion control function. To prove the principal feasibility of the operability of the claimed device when navigating an object with given kinematic characteristics, an algorithm for a simulation model of the operation of a strapdown inertial navigation system (Fig. 6) was compiled and explained by mathematical descriptions in order to control the correctness of calculations of inertial information variables and navigation information variables when developing programs for local and on-board computers.
Источники информации, на которые есть ссылки в описанииSources of information referenced in the description
1. Инерциальный навигационный комплекс для высокоскоростного маневренного объекта / Решение о выдаче патента на изобретение от 29.05.2017 по заявке №2016119832/28 (031267) от 23.05.2016 - МПК 8 G01C 23/00; авторы: Хмелевский А.С., Щипицын А.Г., Лысов А.Н., Коваленко В.В.1. Inertial navigation system for a high-speed maneuverable object / Decision on the grant of a patent for an invention dated 05.29.2017 by application No. 2016119832/28 (031267) dated 05.23.2016 -
2. Ткачёв Л.И. Системы инерциальной ориентировки: Учебное пособие. - М.: МЭИ, 1973.2. Tkachev L.I. Inertial Orientation Systems: A Training Manual. - M.: MPEI, 1973.
3. Щипицын А.Г. Бесплатформенные инерциальные навигационные системы: Учебное пособие. - Челябинск, ЧГТУ, 1993.3. Schipitsyn A.G. In -ertial Inertial Navigation Systems: A Tutorial. - Chelyabinsk, ChSTU, 1993.
4. Матвеев В.В., Распопов В.Я. Основы построения бесплатформенных инерциальных навигационных систем. - СПб.: ГНЦ РФ ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2009.4. Matveev V.V., Raspopov V.Ya. The basics of building strapdown inertial navigation systems. - St. Petersburg: State Research Center of the Russian Federation OJSC Concern Central Research Institute Elektropribor, 2009.
5. Способ построения инерциальной навигационной системы. А.с. №155519 / Челяб. политех, ин-т, автор Щипицын А.Г. - Заявлено 20.04.79 №2276932 МКИ 3 G01C 19/00. Зарегист. 5.02.81.5. A method of constructing an inertial navigation system. A.S. No. 155,519 / Chelyab. Polytechnic Institute, institute, author Schipitsyn A.G. - It is declared 04.20.79 No. 2276932
6. Способ построения инерциальной навигационной системы. А.с.№183269 / Челяб. политех, ин-т, авторы: Щипицын А.Г., Хмелевский А.С.- Заявлено 16.03.82 №3042080 МКИЗ G01C19/00. Зарегист.7.01.83.6. A method of constructing an inertial navigation system. A.S.No. 183269 / Chelyab. Polytechnic Institute, Institute of Authors: Schipitsyn A.G., Khmelevsky A.S. - Claimed March 16, 82 No. 3042080 MKIZ G01C19 / 00. Zaregist. 7.01.83.
7. Способ построения инерциальной навигационной системы. А.с. №201020 / Челяб. политех, ин-т, авторы: Щипицын А.Г., Хмелевский А.С, Губницкий А.Ф. - Заявлено 4.05.83 №3065109 МКИ 3 G01C 19/00. Зарегист. 27.03.84.7. A method of constructing an inertial navigation system. A.S. No. 201020 / Chelyab. Polytechnic Institute, Institute of Authors: Schipitsyn A.G., Khmelevsky A.S., Gubnitsky A.F. - Declared 4.05.83 No. 3065109
8. Способ построения инерциальной навигационной системы. А.с. №241291 / Челяб. политех, ин-т, авторы: Щипицын А.Г., Хмелевский А.С, Губницкий А.Ф., Слепова С.В. - Заявлено 9.10.85 №3125843 МКИ 3 G01C 19/00. Зарегист. 1.08.86.8. A method of constructing an inertial navigation system. A.S. No. 241291 / Chelyab. Polytechnic Institute, Institute of Authors: Schipitsyn A.G., Khmelevsky A.S., Gubnitsky A.F., Slepova S.V. - Declared 9.10.85 No. 3125843
9. Делекторский Б.А., Мастяев Н.З., Орлов И.Н. Проектирование гироскопических электродвигателей. - Москва: Машиностроение, 1968. - 252 с.9. Delektorsky B.A., Mastyaev N.Z., Orlov I.N. Design of gyroscopic electric motors. - Moscow: Engineering, 1968. - 252 p.
10. Малов В.В. Пьезоэлектрические датчики. - 2-е изд. - М.: Энергоатомиздат, 1989.10. Malov V.V. Piezoelectric sensors. - 2nd ed. - M .: Energoatomizdat, 1989.
11. Гроховский С.С., Лущиков Р.И., Прохоров Н.И. Интеллектуальный датчик силы./ Патент РФ 2165601 от 20.04.2001. [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.freepatent.ru/patents/216560111. Grokhovsky S.S., Lushchikov R.I., Prokhorov N.I. Intelligent force sensor./ RF Patent 2165601 dated 04/20/2001. [Electronic resource] - Access mode: http://www.freepatent.ru/patents/2165601
12. Григорьев В.А., Лагутенко О.И., Распаев Ю.А. Системы и сети радиодоступа. М.,: Эко Трендз, 2005.12. Grigoriev V.A., Lagutenko O.I., Raspaev Yu.A. Radio access systems and networks. M.,: Eco Trends, 2005.
13. Лазерный тахометр. [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://oooitom.ru/data/documents/Lazernyy-tahometr.pdf13. Laser tachometer. [Electronic resource] / Access mode: http://oooitom.ru/data/documents/Lazernyy-tahometr.pdf
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017144953A RU2676941C1 (en) | 2017-12-20 | 2017-12-20 | Freeform inertial navigation system of mobile object |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017144953A RU2676941C1 (en) | 2017-12-20 | 2017-12-20 | Freeform inertial navigation system of mobile object |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2676941C1 true RU2676941C1 (en) | 2019-01-11 |
Family
ID=65025019
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2017144953A RU2676941C1 (en) | 2017-12-20 | 2017-12-20 | Freeform inertial navigation system of mobile object |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2676941C1 (en) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3509765A (en) * | 1965-12-17 | 1970-05-05 | Gen Motors Corp | Inertial navigation system |
| RU109553U1 (en) * | 2011-07-28 | 2011-10-20 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие "Антарес" | INTEGRATED SYSTEM BASED ON A FREE PLATFORM INERTIAL NAVIGATION SYSTEM AND SATELLITE NAVIGATION SYSTEM |
| RU2548115C1 (en) * | 2014-12-18 | 2015-04-10 | Морской гидрофизический институт | Platform-free navigation complex with inertial orientation system built around coarse sensors and method of correction of its inertial transducers |
| RU2563333C2 (en) * | 2013-07-18 | 2015-09-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное объединение автоматики имени академика Н.А. Семихатова" | Inertial strapdown system |
-
2017
- 2017-12-20 RU RU2017144953A patent/RU2676941C1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3509765A (en) * | 1965-12-17 | 1970-05-05 | Gen Motors Corp | Inertial navigation system |
| RU109553U1 (en) * | 2011-07-28 | 2011-10-20 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие "Антарес" | INTEGRATED SYSTEM BASED ON A FREE PLATFORM INERTIAL NAVIGATION SYSTEM AND SATELLITE NAVIGATION SYSTEM |
| RU2563333C2 (en) * | 2013-07-18 | 2015-09-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное объединение автоматики имени академика Н.А. Семихатова" | Inertial strapdown system |
| RU2548115C1 (en) * | 2014-12-18 | 2015-04-10 | Морской гидрофизический институт | Platform-free navigation complex with inertial orientation system built around coarse sensors and method of correction of its inertial transducers |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN108562288A (en) | A kind of Laser strapdown used group of system-level online self-calibration system and method | |
| CN101738203B (en) | Optimal position calibration method of static drifting zero and primary acceleration related term error model of flexible gyroscope | |
| CN105136166B (en) | A kind of SINS error model emulation mode of specified inertial navigation positional precision | |
| Wang et al. | Design and implementation of an AHRS based on MEMS sensors and complementary filtering | |
| Kopáčik et al. | Systematic error elimination using additive measurements and combination of two low cost IMSs | |
| Usubamatov | A mathematical model for motions of gyroscope suspended from flexible cord | |
| CN109931952A (en) | The direct analytic expression coarse alignment method of inertial navigation under the conditions of unknown latitude | |
| Yu et al. | Spinning projectile’s attitude measurement using intersection ratio of magnetic sensors | |
| Yang et al. | Gyro-free inertial measurement unit with unfettered accelerometer array distribution and for the object with position change in center of gravity | |
| CN110940336B (en) | Strapdown inertial navigation simulation positioning resolving method and device and terminal equipment | |
| CN105973237B (en) | Emulation dynamic trajectory based on practical flight data interpolating parses generation method | |
| RU2676941C1 (en) | Freeform inertial navigation system of mobile object | |
| Zhu et al. | Accuracy improvement of a redundant inertial measurement unit brought about by the dual-axis rotational motion | |
| RU2682060C1 (en) | Free inertial navigation system of mobile carrier | |
| CN103884868B (en) | A kind of six-dimension acceleration acquisition method | |
| CN105893687A (en) | Genetic algorithm based optimal design method for self-calibration test for inertial navigation platform system | |
| CN105674971A (en) | Gyro flywheel system-based two dimensional spacecraft angular rate measurement method | |
| CN106895832B (en) | A kind of angular velocity signal analogy method of Gyro | |
| Niu et al. | An IMU evaluation method using a signal grafting scheme | |
| RU2674572C1 (en) | Strapdown inertial navigation system for high-speed maneuvering object | |
| RU2717566C1 (en) | Method of determining errors of an inertial unit of sensitive elements on a biaxial rotary table | |
| CN102914319B (en) | A kind of many optical fiber based on prior imformation used group static method for quick storage period | |
| Rahimi et al. | Improving the calibration process of inertial measurement unit for marine applications | |
| Pan et al. | Development of angular velocity vector measurement of a spherical rotor based on color sensors | |
| Belyaev et al. | The effect of elastic strain of a three-axis gyrostabilized platform on the orientation accuracy of the sensitivity axes of the integrating gyroscopes: Experimental evaluation |