RU2713633C1 - Способ контроля геометрии крупногабаритных объектов - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области радионавигации и может быть использовано для контроля геометрии крупногабаритных объектов при их эксплуатации. Способ включает измерение пространственных координат узловых точек с помощью навигационных радиосигналов спутниковых радионавигационных систем (СРНС) ГЛОНАСС и GPS, а также сигналов наземных и воздушных радионавигационных систем, функционально им аналогичных. Техническим результатом является повышение точности измерений положения узловых точек крупногабаритных объектов и обеспечение постоянного контроля их геометрии. Способ контроля геометрии пространственных координат узловых точек крупногабаритных объектов осуществляется с помощью навигационных радиосигналов спутниковых радионавигационных систем (СРНС) ГЛОНАСС и GPS, а также сигналов систем, функционально им аналогичных, путем установки в эти точки датчиков положения - антенн радиоугломерной навигационной аппаратуры, определяющей их координаты относительно источников навигационного сигнала (что дает возможность контролировать их взаимное расположение). Определение относительных координат по сигналам СРНС осуществляют измерением разности фаз несущего колебания сигнала навигационного космического аппарата (НКА), принятого разнесенными в пространстве антеннами, установленными в узловых точках объекта контроля, с подключенной к ним радиоугломерной навигационной аппаратурой. Такая разность фаз измеряется радиоугломерной навигационной аппаратурой с высокой точностью и позволяет определить разность хода сигнала между антеннами. Произведя такие измерения, радиоугломерная навигационная аппаратура определяет пространственную ориентацию антенн и пересчитывает ее в пространственную ориентацию объекта, на котором они установлены.

Description

Изобретение относится к области радионавигации и может быть использовано для контроля геометрии крупногабаритных объектов при их эксплуатации. Способ включает измерение пространственных координат узловых точек с помощью навигационных радиосигналов спутниковых радионавигационных систем (СРНС) ГЛОНАСС и GPS, а также сигналов систем, функционально им аналогичных.

Известен способ измерения пространственных координат точек с помощью лучей измерительных элементов, которые наводят на контролируемые точки. В качестве измерительных элементов используют три лазерных дальномера, которым задают пространственные координаты, наводят три луча на одну точку объекта, замеряют длину лучей и определяют пространственные координаты вышеуказанной точки кузова в заданной системе координат путем решения системы уравнений. Потом наводят три луча на следующую точку объекта и определяют ее пространственные координаты аналогично первой точке. Затем определяют расстояние между двумя точками по полученным координатам, которое сравнивают с эталонным размером (Патент РФ № 2291751 МПК B21D 1/12 (2006.01)).

Недостатками способа являются необходимость и сложность построения связанной с лазерными дальномерами системы координат, которая должна быть существенно больше размерами контролируемого объекта, что значительно усложняет применение данного способа для крупногабаритных объектов.

Известен способ радиолокационного зондирования земных недр. Формируют и излучают в направлении зондируемых недр пилот-сигнал. Принимают сигналы электромагнитных импульсов, отраженные от подповерхностных структур. Выделяют те сигналы, в спектре которых наблюдается максимальное количество резонансных всплесков (Патент РФ № 2436130 МПК G01V 3/12 (2006.01)).

К недостаткам способа следует отнести его сложность и невысокую точность, обусловленные его применением при проектировании новых и усовершенствовании существующих способов и систем ведения геофизической разведки при исследовании земных недр, поиске полезных ископаемых, включая проведение поисковых работ на шельфе, геологическом картировании, а также при инженерно-строительных, археологических и гидрогеологических изысканиях.

Наиболее близким к заявляемому является радиотехнический метод контроля геометрической формы плотин гидроэлектростанции на основе импульсно-фазового принципа измерения дальности (Сухотин В.В., Шайдуров Г.Я. Возможности дистанционного радиотехнического метода контроля створов крупных гидротехнических сооружений. Датчики и системы, № 3, 2012, С. 0-3).

Одним из вариантов реализации рассматриваемого метода является расстановка в дискретных точках вдоль кромки плотины ГЭС датчиков – радиомаяков малой мощности, сигналы от которых принимаются в одной опорной точке, расположенной за воронкой оседания, создаваемой вследствие деформации земли под воздействием веса плотины и водохранилища. Между принятым сигналом от радиомаяка и опорным сигналом местного гетеродина приемника измеряется разность фаз, что дает возможность оценить с высокой точностью расстояние между точками излучения и приема с минимально возможной ошибкой, вносимой метеоусловиями среды.

Недостатками данного способа являются необходимость использования сложной системы маломощных радиопередатчиков, у которых управление и синхронизация с приемником производятся с помощью оптоволоконного канала связи, а также невозможность контроля изменения положения радиомаяков в дискретных точках по вертикали, т.к. приемник измеряет только расстояние до них и не может определить их угловое положение.

Технической проблемой решаемой изобретением является повышение точности измерений положения узловых точек крупногабаритных объектов и обеспечение постоянного контроля их геометрии.

Решение технической проблемы осуществляется за счет того, что контроль геометрии крупногабаритных объектов осуществляют путем расстановки в дискретных точках объекта контроля датчиков положения, сигналы от которых поступают на приемник в опорной точке; в качестве датчиков положения используют антенны, подключенные к радиоугломерной навигационной аппаратуре, принимающие несущие колебания сигналы, как минимум, от одного источника радиосигнала спутниковых радионавигационных систем (СРНС), в качестве опорной точки выбирают одну из антенн; с помощью радиоугломерной навигационной аппаратуры определяют относительные координаты антенн путем измерения разности фаз несущего колебания сигналов навигационных космических аппаратов (НКА), принятых антеннами; с учетом относительных координат антенн определяют разность хода сигнала попарно между опорной и каждой из всех остальных антенн; определение пространственной ориентации объектов (геометрии объектов) по сигналам ГЛОНАСС и GPS, реализованное в радиоугломерной навигационной аппаратуре, основано на вычислении пространственной ориентации разнесенных в пространстве антенн по измерениям разности хода сигнала между ними по формуле:

r × s _i ^T = Δφ _{i +} τ + λ _i × N _i , где

r = (r _x  r _y  r _z ) ^T – координаты антенны относительно опорной;

s = (s _x  s _y  s _z ) ^T – вектор направляющих косинусов на НКА;

T – знак транспонирования, представляющий вектор-столбец в компактной форме;

Δϕ - измеренная разность хода сигнала между антеннами, выраженная в единицах длины, м;

τ – систематическая погрешность, вызванная разностью задержек в каналах обработки сигнала каждой антенны;

λ _i – длина волны сигнала, м;

N _i – фазовая неоднозначность;

i = 1, 2, … n – число НКА;

Определение относительных координат (координаты антенны относительно опорной) по сигналам СРНС с минимальной погрешностью осуществляется измерением разности фаз несущего колебания сигналов навигационных космических аппаратов (НКА), принятых разнесенными в пространстве антеннами. Такая разность фаз измеряется угломерной аппаратурой СРНС с высокой точностью (около 1º), что с учетом длины волны навигационного сигнала позволяет определить разность хода сигнала между разнесенными в пространстве приемниками (антеннами) с погрешностью в единицы миллиметров.

Контроль геометрии крупногабаритных объектов, с учетом определения относительных координат антенн, основан на вычислении пространственной ориентации разнесенных в пространстве антенн по измерениям разности хода сигнала попарно между опорной и каждой из всех остальных антенн по формуле:

r × s _i ^T = Δϕ _{i +} τ + λ _i × N _i , (1)

где

r = (r _x  r _y  r _z ) ^T – координаты антенны относительно опорной;

s = (s _x  s _y  s _z ) ^T – вектор направляющих косинусов на НКА;

T – знак транспонирования, представляющий вектор-столбец в компактной форме;

Δϕ – измеренная разность хода сигнала между антеннами, выраженная в единицах длины, м;

τ – систематическая погрешность, вызванная разностью задержек в каналах обработки сигнала каждой антенны;

λ _i – длина волны сигнала, м;

N _i – фазовая неоднозначность;

i = 1, 2, … n – число НКА;

Ключевой проблемой при использовании фазовых измерений при расстоянии между антеннами, превышающем длину волны сигнала НКА, является проблема разрешения неоднозначности измерения разности фаз (необходимо определить целое число циклов фазы, соответствующее разности хода сигнала между двумя антеннами).

В серийно выпускаемой радиоугломерной навигационной аппаратуре, реализованы алгоритмы, которые позволяют одномоментно (то есть – по набору измерений разности фаз между антеннами, полученному на один момент времени) разрешить неоднозначность и определить взаимное положение антенн со среднеквадратической погрешностью не более 2-3 мм. Например, один из таких алгоритмов известен по способу из патента РФ № 2141118.

Дальнейшее уменьшение погрешности определения взаимного положения антенн при необходимости может быть обеспечено с использованием фильтрации относительных координат антенн, полученных в одномоментных измерениях. Для решения задачи фильтрации можно использовать, например, различные модификации фильтра Калмана. Предложенный подход позволяет оценить расстояние между антеннами с погрешностью менее 1 мм.

Технический результат, достигаемый при реализации указанного способа, заключается в возможности постоянного контроля геометрии крупногабаритных объектов, находящихся в навигационном поле СРНС ГЛОНАСС и GPS, а также навигационных систем, функционально им аналогичных. Контроль геометрии объектов (в том числе подвижных) с одинаковой точностью обеспечивается как на поверхности Земли, так и при подъеме над ней до нескольких десятков тысяч километров.

Claims (10)

1. Способ контроля геометрии крупногабаритных объектов, заключающийся в расстановке в дискретных точках объекта контроля датчиков положения, сигналы от которых принимают приемником в опорной точке, отличающийся тем, что в качестве датчиков положения используют антенны, подключенные к радиоугломерной навигационной аппаратуре, принимающие несущие колебания сигналы, как минимум, от одного источника радиосигнала спутниковых радионавигационных систем (СРНС); в качестве опорной точки выбирают одну из антенн; с помощью радиоугломерной навигационной аппаратуры определяют относительные координаты антенн путем измерения разности фаз несущего колебания сигналов навигационных космических аппаратов (НКА), принятых антеннами; определяют разность хода сигнала попарно между опорной и каждой из всех остальных антенн; вычисляют пространственную ориентацию антенн по формуле:
2. 

   , где
3. 

   - координаты антенны относительно опорной;
4. 

   - вектор направляющих косинусов на НКА;
5. T - знак транспонирования, представляющий вектор-столбец в компактной форме;
6. 

   - измеренная разность хода сигнала между антеннами, выраженная в единицах длины, м;
7. 

   - систематическая погрешность, вызванная разностью задержек в каналах обработки сигнала каждой антенны;
8. 

   - длина волны сигнала, м;
9. 

   - фазовая неоднозначность;
10. i = 1, 2, … n - число НКА.