RU2762143C2

RU2762143C2 - Система определения курса и углового пространственного положения, выполненная с возможностью функционирования в полярной области

Info

Publication number: RU2762143C2
Application number: RU2018107795A
Authority: RU
Inventors: Павол МАЛИНАК; Зденек КАНА; Милос СОТАК; Радек БАРАНЕК
Original assignee: Ханивелл Интернешнл Инк.
Priority date: 2017-03-16
Filing date: 2018-03-02
Publication date: 2021-12-16
Also published as: US10048074B1; RU2018107795A; EP3388787A1; CN108627154B; EP3388787B1; CN108627154A; RU2018107795A3

Abstract

Группа изобретений включает систему определения курса и углового пространственного положения транспортного средства, способ управления указанной системой и энергонезависимый машиночитаемый носитель данных с хранящимися на нем командами, исполняемыми процессором для реализации указанного способа. Сущность: система определения курса и углового пространственного положения транспортного средства содержит блок инерциальных датчиков (IMU), установленный на борту транспортного средства и выполненный с возможностью генерирования результатов инерциальных измерений, включающих в себя измерения угловой скорости и ускорения во время эксплуатации транспортного средства; источник информации о курсе, установленный на борту транспортного средства и выполненный с возможностью генерирования результатов измерений курса во время эксплуатации транспортного средства; фильтр определения углового пространственного положения, установленный на борту транспортного средства и функционально связанный с блоком IMU; фильтр курса, установленный на борту транспортного средства и функционально связанный с источником информации о курсе. Технический результат: возможность определения курса и углового пространственного положения при эксплуатации транспортного средства в любой области Земли. 3 н. и 15 з.п. ф-лы, 2 ил.

Description

Уровень техники

Система определения курса и углового пространственного положения (AHRS) летательного аппарата обычно основана на алгоритме дополнительной фильтрации. Для повышения точности решения широко используются статистические фильтры, обычно основанные на приближениях первого порядка (например, расширенные фильтры Калмана). Недостаток этого подхода проявляется в полярных областях, где выдерживание курса (например, с помощью магнитного устройства) недостаточно для удержания фильтра в его линейной области.

В полярных областях горизонтальная составляющая вектора магнитного поля существенно уменьшается (или становится нулевой), что усложняет определение курса. Более того, в непосредственной близости от географического полюса требуются очень большие (или бесконечно большие) вертикальные угловые скорости, чтобы выдерживать ориентацию на север локальной (с тангенциальной осью) системы координат транспортного средства. Однако в таких случаях система AHRS должна быть способной предоставлять пользователю достоверные оценки углового пространственного положения (углы крена и тангажа) даже тогда, когда выходные данные, полученные из источника информации о курсе, сомнительны или вообще отсутствуют.

Сущность изобретения

Система определения курса и углового пространственного положения (AHRS) транспортного средства содержит блок инерциальных датчиков (IMU), установленный на борту транспортного средства и выполненный с возможностью генерирования результатов инерциальных измерений, включающих в себя измерения угловой скорости и ускорения во время эксплуатации транспортного средства; источник информации о курсе, установленный на борту транспортного средства и выполненный с возможностью генерирования результатов измерений курса во время эксплуатации транспортного средства; фильтр определения углового пространственного положения, установленный на борту транспортного средства и функционально связанный с блоком IMU; и фильтр курса, установленный на борту транспортного средства и функционально связанный с источником информации о курсе. Фильтр определения углового пространственного положения выполнен с возможностью получения результатов инерциальных измерений из блока IMU; вычисления оценки углового пространственного положения, содержащей расчетные показатели углового пространственного положения и ковариации расчетных показателей углового пространственного положения, исходя из результатов инерциальных измерений; и выдачи оценки углового пространственного положения, содержащей расчетные показатели углового пространственного положения и ковариации расчетных показателей углового пространственного положения. Оценка углового пространственного положения не зависит от географической широты нахождения транспортного средства, и основывается на параметризации погрешностей между плавающей платформенной системой координат транспортного средства, без учета поправки на погрешности гиродатчика, и связанной системой координат; при этом скорость вращения Земли и скорость перемещения транспортного средства рассчитываются в платформенной системе координат, избегая полярной особенности. Фильтр курса выполнен с возможностью приема результатов измерений курса, по мере их поступления, из источника информации о курсе; получения оценки углового пространственного положения, содержащей расчетные показатели углового пространственного положения и ковариации расчетных показателей углового пространственного положения, из фильтра определения углового пространственного положения; вычисления оценки курса, содержащей среднее расчетное значение курса и величину отклонения от курса, исходя из результатов измерений курса и оценки углового пространственного положения; и выдачи оценки курса, содержащей среднее расчетное значение курса и величину отклонения от курса, по мере поступления результатов измерений курса. Выдача оценки углового пространственного положения из фильтра определения углового пространственного положения не зависит от наличия результатов измерений курса, благодаря чему оценку углового пространственного положения можно получить в любой области Земли при эксплуатации транспортного средства.

Краткое описание чертежей

Признаки настоящего изобретения станут очевидными специалистам в данной области техники после ознакомления с последующим описанием в привязке к чертежам. С учетом того, что на чертежах представлены лишь типичные примеры осуществления настоящего изобретения, которые, соответственно, не следует рассматривать как ограничивающие его объем, заявленное изобретение будет описано с указанием особых отличительных признаков и деталей в привязке к прилагаемым чертежам, где:

На фиг. 1 представлена блок-схема системы определения курса и углового пространственного положения (AHRS) транспортного средства согласно одному из примеров осуществления настоящего изобретения; а

На фиг. 2 показан график, иллюстрирующий изменения гравитационной модели для различных широт и высот нахождения транспортного средства.

Подробное описание изобретения

В последующем подробном описании варианты осуществления настоящего изобретения раскрыты достаточно подробно, чтобы специалисты в данной области техники могли реализовать заявленное изобретение на практике. Следует понимать, что могут быть использованы и другие варианты осуществления настоящего изобретения без отступления от его объема. Следовательно, последующее подробное описание не следует трактовать в ограничительном смысле.

В настоящем документе описана система определения курса и углового пространственного положения (AHRS) транспортного средства, такого как летательный аппарат, вертолет, управляемая ракета, космический аппарат, неуправляемая ракета, судно, подводная лодка, легковой автомобиль, грузовик или любое иное транспортное средство или устройство, для которого требуется определение углового пространственного положения и курса; при этом указанная система приведена в соответствие со способами, позволяющими системе AHRS надлежащим образом функционировать в любой области Земли. В этой системе AHRS оценка углового пространственного положения не связана с оценкой курса, и поэтому общее решение делится на два отдельных статистических фильтра, а именно: фильтр определения углового пространственного положения и фильтр курса; при этом указанные фильтры подключены по каскадной схеме. Разделение фильтров курса и определения углового пространственного положения в системе AHRS за счет использования отдельных статистических фильтров обеспечивает преимущество, состоящее в том, что расчетные показатели углового пространственного положения транспортного средства могут быть получены даже при его эксплуатации в полярных областях Земли или в иных условиях, в которых измерения курса недоступны.

В описанной системе и способах расчетная оценка углового пространственного положения генерируется в фильтре определения углового пространственного положения независимо от расчетной оценки курса. Расчетная оценка углового пространственного положения, с учетом ее среднего и соответствующей погрешности (ковариационная матрица), передается из фильтра определения углового пространственного положения в фильтр курса. После этого в фильтре курса генерируется оценка курса, включающая в себя среднее значение и погрешность. Затем расчетная оценка углового пространственного положения и расчетная оценка курса по отдельности выдаются для их использования навигационной системой транспортного средства.

Для того чтобы фильтр определения углового пространственного положения функционировал независимо от географической широты нахождения транспортного средства, выполняется параметризация погрешностей, что осуществляется в «плавающей» платформенной системе координат транспортного средства (без учета поправки на погрешности гиродатчика) и связанных системах координат. Так называемая «плавающая» платформенная система координат (далее по тексту именуемая P-системой координат) отличается от широко известной платформенной (или блуждающей) системы координат в том смысле, что она не корректируется с учетом погрешностей, обусловленных измерениями гироскопа. Состояния ошибки фильтра, связанные с угловым пространственным положением, погрешностями оценки датчиков блока инерциальных датчиков (IMU), а также погрешностями вследствие ускорения транспортного средства, оцениваются в неподвижной (связанной) системе координат, отличной от навигационной (тангенциальной) системы координат, обычно используемой для механизации системы AHRS. С другой стороны, скорость вращения Земли и скорость перемещения транспортного средства определяются в платформенной системе координат, избегая полярной особенности (и, соответственно, зависимости от широты). Описанный подход также уменьшает влияние вариаций силы тяжести от экватора к полюсам, что повышает эффективность определения углового пространственного положения.

Только в фильтре курса используется обычная навигационная система координат (N-система координат) для оценки вертикальной составляющей скорости перемещения транспортного средства. Фильтр курса также облегчает надлежащее статистическое моделирование и аппроксимацию погрешностей, генерируемых фильтром определения углового пространственного положения, а также самими средствами механизации для выдерживания курса.

Предложенный подход повышает доступность данных об угловом пространственном положении транспортного средства в полярных областях Земли, обеспечивая возможность реализации системы AHRS с определением вектора гравитации. Предложенные способы могут быть также реализованы в системе ADAHRS (курсовертикаль с датчиком воздушной скорости), в системе AHRS с GPS или в других навигационных системах. Будущие варианты архитектуры навигационной системы транспортных средств могли бы выиграть от использования предложенного способа также за счет предоставления погрешности расчетных показателей углового пространственного положения/курса.

В контексте настоящего документа полярная область Земли обычно определяется как область, простирающаяся на север примерно от 78 градусов северной широты, или как область, лежащая к югу примерно от 78 градусов южной широты.

Более подробно предложенные система и способы описаны ниже в настоящем документе в привязке к чертежам.

На фиг. 1 представлена блок-схема, иллюстрирующая систему 100 AHRS согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения. Система 100 AHRS обычно включает в себя блок инерциальных датчиков 110 (IMU), выполненный с возможностью генерирования инерциальных измерений; и фильтр 120 определения углового пространственного положения, функционально связанный с блоком 110 IMU. Кроме того, система 100 AHRS содержит источник 130 информации о курсе, такой как магнитометр, который генерирует измерения курса; и фильтр 140 курса, функционально связанный с источником 130 информации о курсе и фильтром 120 определения углового пространственного положения.

Блок 110 IMU может содержать, например, трехосный гироскоп 112 и трехосный акселерометр 114. Фильтр 120 определения углового пространственного положения выполнен с возможностью получения результатов инерциальных измерений с блока 110 IMU. Например, фильтр 120 определения углового пространственного положения может получать измеренные значения угловой скорости (

), выдаваемые гироскопом 112, и измеренные значения удельной силы (

), выдаваемые акселерометром 114. Фильтр 120 определения углового пространственного положения выполнен с возможностью генерирования оценки углового пространственного положения, включающей в себя расчетные показатели (

и

) (крен и тангаж) углового пространственного положения и ковариации (P_att) расчетных показателей углового пространственного положения.

Фильтр 140 курса выполнен с возможностью получения результатов измерений курса (

, основанных, например, на измерениях

магнитометра), выдаваемых источником 130 информации о курсе. Фильтр 140 курса также получает расчетные показатели углового пространственного положения и ковариации расчетных показателей углового пространственного положения из фильтра 120 определения углового пространственного положения. Фильтр 140 курса выполнен с возможностью генерирования и выдачи оценки курса, включающей в себя среднее расчетное значение курса (

) и величину отклонения от курса (P_hdg).

Фильтр 120 определения углового пространственного положения выдает расчетные показатели (крен и тангаж) на стадии 150, а также ковариационную матрицу углового пространственного положения на стадии 154. Фильтр 140 курса выдает расчетную оценку курса (рыскания) на стадии 160, а также величину отклонения от курса на стадии 164. Эти расчетные показатели углового пространственного положения и курса затем используются навигационной системой транспортного средства, такой как навигационная система летательного аппарата.

За счет разделения оценки углового пространственного положения и курса на два отдельных фильтра, подключенных по каскадной схеме, определение углового пространственного положения транспортного средства в системе 100 AHRS выполняется абсолютно независимо от определения курса. Это предотвращает влияние искажающего эффекта измерений курса (например, вследствие помех, генерируемых магнитометром) на расчетные показатели углового пространственного положения, давая возможность системе 100 AHRS функционировать без ограничений при отсутствии результатов измерений курса.

Как подробно описано ниже, в фильтре 120 определения углового пространственного положения параметризация погрешностей в полном объеме выполняется исключительно за счет использования двух опорных систем координат: связанной системы координат и «плавающей» платформенной системы координат. «Плавающая» платформенная система координат является локально выровненной системой, смещающейся из-за погрешностей гиродатчика. Это дает преимущество, заключающееся в устранении всех слабых мест, обусловленных навигационной системой координат, обычно именуемой NED (географическая система координат, оси которой направлены на Север, Восток и вдоль местной вертикали), в полярной области. Кроме того, в связанной системе координат устраняются погрешности определения углового пространственного положения, что обеспечивает преимущество, состоящее в том, что состояния ошибки углового пространственного положения оцениваются в неподвижной (связанной) системе координат. Далее, в плавающей платформенной системе координат устраняются погрешности по скорости вращения Земли и скорости перемещения транспортного средства, что обеспечивает преимущество, состоящее в том, что можно избежать полярной особенности, имеющей место при использовании навигационной системы координат. Кроме того, изменения силы тяжести от экватора к полюсам могут оцениваться путем соответствующего моделирования изменений силы тяжести в фильтре определения углового пространственного положения.

Фильтр 140 курса обеспечивает оценку погрешностей гиродатчика, связанных с курсом, которые устраняются связанной системой координат; а также обеспечивает оценку вертикальной угловой скорости навигационной системы координат (скорости вращения Земли и скорости перемещения транспортного средства как единой величины). Фильтр курса также обеспечивает аппроксимацию погрешностей фильтра определения углового пространственного положения, связанных с курсом. Это обеспечивает преимущество, состоящее в надлежащем статистическом моделировании и аппроксимации погрешностей, генерируемых фильтром определения углового пространственного положения, а также самими средствами механизации для выдерживания курса. Кроме того, фильтр курса выдает расчетные показатели курса, не влияя при этом на работу фильтра определения углового пространственного положения в неполярных районах эксплуатации транспортного средства.

Подробности, относящиеся к фильтру определения углового пространственного положения и фильтру курса, описаны в последующих разделах.

Фильтр определения углового пространственного положения

В фильтре определения углового пространственного положения платформенная система координат (P-система координат) перед началом эксплуатации транспортного средства выровнена относительно соответствующей навигационной системы координат (например, NED). Смещение из-за погрешностей гиродатчика не корректируется путем коррекции положения (в сравнении с блуждающей системой координат, известной по комплексным инерциальным навигационным системам). Фильтр определения угловой пространственной скорости использует более подходящее моделирование скорости вращения Земли и скорости перемещения транспортного средства в сравнении с моделями существующего уровня техники.

Угловая скорость P-системы координат относительно инерциальной системы координат (

) описывается следующим уравнением:

, (1)

где

обозначает так называемую скорость перемещения транспортного средства, т.е. угловую скорость P-системы координат относительно земной системы координат с началом в центре Земли (ECEF); а

обозначает скорость вращения Земли. Скорость перемещения транспортного средства (в P-системе координат) может быть представлена в виде следующего выражения:

,(2)

где R обозначает приблизительное расстояние до транспортного средства от центра Земли;

обозначает северную составляющую скорости движения транспортного средства относительно земли (когда она выражена в N-системе координат);

обозначает восточную составляющую скорости движения транспортного средства относительно земли (когда она выражена в N-системе координат); а

обозначает угол наклона платформы. Скорость вращения Земли (в P-системе координат) может быть представлена в виде следующего выражения:

, (3)

где

обозначает угловую скорость вращения Земли вокруг своей оси, выраженную относительно инерциальной системы координат (

), а

обозначает географическую широту. Скорость вращения Земли и скорость перемещения транспортного средства могут быть смоделированы как процессы Гаусса – Маркова первого порядка (GM-1) с использованием следующих уравнений:

, (4)

, (5)

где

обозначает постоянную времени процесса GM-1, используемого для моделирования скорости вращения Земли;

обозначает погрешность оценки скорости вращения Земли;

обозначает шумовые помехи, возбуждающие процесс GM-1, используемый для моделирования скорости вращения Земли;

обозначает постоянную времени процесса GM-1, используемого для моделирования скорости перемещения транспортного средства;

обозначает погрешность оценки скорости перемещения транспортного средства; а

обозначает шумовые помехи, возбуждающие процесс GM-1, используемый для моделирования скорости перемещения транспортного средства.

Фильтр определения углового пространственного положения может также обеспечить моделирование изменения силы тяжести, которое связано с локальными вариациями силы тяжести, фиксирующими разницу между силой тяжести на экваторе и в полярных областях Земли. Если изменения силы тяжести не смоделированы, то расчетные оценки смещения акселерометра будут, как правило, искажены.

На фиг. 2 представлен график, иллюстрирующий изменения гравитационной модели для различных широт и высот нахождения транспортного средства. Погрешность при изменениях силы тяжести

может быть смоделирована в качестве процесса GM-1 с помощью следующего уравнения:

, (6)

где

обозначает постоянную времени процесса GM-1,

обозначает погрешность оценки изменений силы тяжести, а

обозначает шумовые помехи, возбуждающие процесс GM-1.

Пример модели процесса, которая может быть использована в фильтре определения углового пространственного положения, записывается следующим образом:

, (7)

Пример модели измерения, которая может быть использована в фильтре определения углового пространственного положения, определяется следующим выражением:

В уравнениях 7 и 8 векторы состояния ошибки определяются следующими параметрами:

, который обозначает погрешности углового пространственного положения (в связанной системе координат);

, который обозначает погрешности вследствие смещения гироскопа;

, который обозначает погрешности вследствие ускорения транспортного средства;

, который обозначает погрешности по скорости вращения Земли (в P-системе координат);

, который обозначает погрешности по скорости перемещения транспортного средства (в P-системе координат);

, который обозначает погрешности вследствие смещения акселерометра; и

, который обозначает погрешность вследствие изменения силы тяжести от экватора к полюсам. Измерение

представляет собой погрешность измерения удельной силы. Последствия применения предложенного способа в отношении архитектуры фильтра можно также увидеть, если сравнить уравнения (7) и (8) с соответствующими модельными уравнениями процессов и измерений, раскрытыми в заявке на патент США № 14/949,437 под названием «Способы смягчения последствий ускорения транспортного средства с помощью системы определения курса и углового пространственного положения», поданной 23 ноября 2015 года, которая основана на одном из вариантов осуществления N-системы координат. Содержание заявки на выдачу патента США № 14/949,437 включено в настоящий документ посредством ссылки.

Фильтр курса

Основные кинематические характеристики курса могут быть описаны следующим уравнением:

где

обозначает угол крена;

обозначает угол тангажа;

и

обозначают составляющие истинной (теоретической) угловой скорости B-системы координат относительно N-системы координат, соответственно, по оси Y и оси Z;

и

обозначают измерения гироскопа по оси Y и оси Z, соответственно;

и

обозначают смещения гироскопа по оси Y и оси Z, соответственно;

и

обозначают белый шум гироскопа по оси Y и оси Z, соответственно; а

, (10)

, (11)

где

моделирует факторы, связанные с гироскопом, а

учитывает факторы, связанные со скоростью вращения Земли и скоростью перемещения транспортного средства. Модель погрешности для фильтра курса может быть представлена в виде следующего уравнения:

, (12)

где

обозначает погрешность оценки величины

, а

обозначает погрешность оценки величины

. Применяя приближения первого порядка, величину

можно отобразить в виде следующего уравнения:

, (13)

где

и

обозначают, соответственно, расчетные углы крена и тангажа;

и

обозначают расчетные оценки погрешности вследствие смещения гироскопа, соответственно, по оси Y и по оси Z; а

обозначает моделирование оставшихся погрешностей (факторов влияния) фильтра определения углового пространственного положения, вызванных шумовыми помехами и влияющих на процесс оценки. Установившаяся вариация шума величины

вычисляется путем линейной аппроксимации погрешностей фильтра определения углового пространственного положения, влияющих на оценку курса, следующим образом:

, (14)

где

обозначает взаимную ковариационную матрицу углов крена и тангажа (полученную из фильтра определения углового пространственного положения);

обозначает взаимную ковариационную матрицу белого шума гироскопа по осям Y и Z; а

обозначает так называемый якобиан, найденный в точке

, который задается следующим образом:

, (15)

Остаточный член

может определяться следующим уравнением:

, (16)

где

и

обозначают расчетные углы тангажа и курса, а

обозначает погрешность оценки вертикальной составляющей скорости Земли и скорости перемещения транспортного средства, вычисленной в навигационной системе координат (N-системе координат). Величина

может быть смоделирована в качестве процесса GM-1 с фиксированной постоянной времени с помощью следующего уравнения:

, (17)

где

обозначает постоянную времени процесса GM-1, а

обозначает возбуждающие его шумовые помехи.

Пример модели процесса, которая может быть использована в фильтре курса, записывается в виде следующего уравнения:

где в членах

и

используются расчетные оценки крена и тангажа, полученные из фильтра определения углового пространственного положения; а изменение члена

рассчитывается по уравнению (14). Пример модели измерения, которая может быть использована в фильтре курса, определяется следующим уравнением:

, (19)

В уравнениях 18 и 19 векторы состояния ошибки выражаются следующими параметрами:

, который обозначает погрешность курса;

, который обозначает погрешность по угловой скорости навигационной системы координат (например, NED) по оси Z;

, который обозначает погрешности вследствие бокового смещения гироскопа; и

, который обозначает погрешности вследствие вертикального смещения гироскопа. Параметр

представляет собой погрешность измерения курса.

Процессор, используемый в представленной системе, может быть реализован с использованием программных, аппаратных и программно-аппаратных средств или любого их сочетания, известного любому специалисту в данной области техники. Они могут быть дополнены специально разработанными для этой цели специализированными заказными интегральными схемами (ASIC) или программируемыми логическими интегральными схемами типа FPGA, или включены в указанные схемы. Компьютер или процессор может также содержать функции с программными продуктами, программно-аппаратными средствами или иными машиночитаемыми командами для выполнения различных задач по обработке данных, вычислений и функций управления, которые используются в представленном способе и системе.

Способы согласно настоящему изобретению могут быть реализованы с помощью машиночитаемых команд, таких как программные модули или компоненты, которые исполняются, по меньшей мере, одним процессором. В общем, к программным модулям относятся подпрограммы, программы, объекты, компоненты данных, структуры данных, алгоритмы и прочие элементы, выполняющие конкретные задачи, или реализующие определенные типы абстрактных данных.

Команды на выполнение различных задач по обработке данных, вычислений и генерирования других данных, используемых для управления способами, описанными в настоящем документе, могут быть реализованы программными средствами, программно-аппаратными средствами или с помощью других команд, читаемых компьютером или процессором. Эти команды обычно хранятся в компьютере на соответствующем машиночитаемом носителе, который используется для хранения машиночитаемых команд или структур данных. Таким машиночитаемым носителем может быть любой доступный носитель информации, к которому может быть обеспечен доступ через универсальный или специализированный компьютер или процессор, или же любое программируемое логическое устройство.

Пригодный для использования читаемый процессором носитель может представлять собой накопитель данных или запоминающее устройство, такое как магнитный или оптический носитель. Например, в качестве накопителя данных или запоминающего устройства могут использоваться обычные жесткие диски, компакт-диски или иные накопители на оптических дисках; энергозависимые или энергонезависимые носители, такие как оперативное запоминающее устройство (ОЗУ); постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), электрически стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство (ЭСППЗУ), флэш-память и т.п.; или любой иной носитель, который может быть использован для переноса или хранения требуемого программного кода в виде машиночитаемых команд или структур данных.

Примеры осуществления настоящего изобретения

Пример 1 включает в себя систему определения курса и углового пространственного положения (AHRS) транспортного средства; при этом система AHRS содержит блок инерциальных датчиков (IMU), установленный на борту транспортного средства и выполненный с возможностью генерирования результатов инерциальных измерений, включающих в себя измерения угловой скорости и ускорения во время эксплуатации транспортного средства; источник информации о курсе, установленный на борту транспортного средства и выполненный с возможностью генерирования результатов измерений курса во время эксплуатации транспортного средства; фильтр определения углового пространственного положения, установленный на борту транспортного средства и функционально связанный с блоком IMU; и фильтр курса, установленный на борту транспортного средства и функционально связанный с источником информации о курсе. Фильтр определения углового пространственного положения выполнен с возможностью приема результатов инерциальных измерений с блока IMU; вычисления оценки углового пространственного положения, содержащей расчетные показатели углового пространственного положения и ковариации расчетных показателей углового пространственного положения, исходя из результатов инерциальных измерений; при этом оценка углового пространственного положения не зависит от географической широты нахождения транспортного средства, и основывается на параметризации погрешностей между плавающей платформенной системой координат транспортного средства, без учета поправки на погрешности гиродатчика, и связанной системой координат; при этом скорость вращения Земли и скорость перемещения транспортного средства рассчитываются в платформенной системе координат, избегая полярной особенности; и выдачи оценки углового пространственного положения, содержащей расчетные показатели углового пространственного положения и ковариации расчетных показателей углового пространственного положения. Фильтр курса выполнен с возможностью приема результатов измерений курса, по мере их поступления, из источника информации о курсе; получения оценки углового пространственного положения, содержащей расчетные показатели углового пространственного положения и ковариации расчетных показателей углового пространственного положения, из фильтра определения углового пространственного положения; вычисления оценки курса, содержащей среднее расчетное значение курса и величину отклонения от курса, исходя из результатов измерений курса и оценки углового пространственного положения; и выдачи оценки курса, содержащей среднее расчетное значение курса и величину отклонения от курса, по мере поступления результатов измерений курса. Выдача оценки углового пространственного положения из фильтра определения углового пространственного положения не зависит от наличия результатов измерений курса, благодаря чему оценку углового пространственного положения можно получить в любой области Земли при эксплуатации транспортного средства.

Пример 2 включает в себя систему AHRS по примеру 1, в которой транспортное средство представляет собой летательный аппарат, вертолет, управляемую ракету, космический аппарат, неуправляемую ракету, судно, подводную лодку, легковой автомобиль или грузовик.

Пример 3 включает в себя систему AHRS по любому из предшествующих примеров 1 и 2, в которой блок IMU содержит трёхосный акселерометр и трехосный гироскоп, а источник информации о курсе представляет собой магнитометр.

Пример 4 включает в себя систему AHRS по любому из предшествующих примеров 1 – 3, в которой имеются выходные данные для оценки углового пространственного положения транспортного средства, эксплуатируемого в какой-либо полярной области Земли.

Пример 5 включает в себя систему AHRS по любому из предшествующих примеров 1 – 4, в которой фильтр определения углового пространственного положения содержит модель расчета скорости вращения Земли и модель расчета скорости перемещения транспортного средства.

Пример 6 включает в себя систему AHRS по любому из предшествующих примеров 1 – 5, в которой фильтр определения углового пространственного положения дополнительно содержит модель погрешности вследствие изменения силы тяжести.

Пример 7 включает в себя систему AHRS по примеру 6, в которой модель погрешности вследствие изменения силы тяжести включает в себя процесс Гаусса – Маркова первого порядка (GM-1), определяемый следующим образом:

,

где

обозначает постоянную времени процесса GM-1;

обозначает погрешность оценки вариаций силы тяжести; а

Пример 8 включает в себя систему AHRS по любому из предшествующих примеров 1 – 7, в которой расчетные показатели углового пространственного положения включают в себя расчетные оценки крена и тангажа транспортного средства;

при этом модель процесса для фильтра определения углового пространственного положения описывается следующим выражением:

где

обозначает погрешность углового пространственного положения в связанной системе координат транспортного средства;

обозначает погрешность вследствие смещения гироскопа;

обозначает постоянную времени процесса Гаусса – Маркова первого порядка (GM-1), используемого для моделирования смещения гироскопа;

обозначает шумовые помехи, возбуждающие процесс GM-1, используемый для моделирования смещения гироскопа;

обозначает погрешность вследствие ускорения транспортного средства;

обозначает постоянную времени процесса GM-1, используемого для моделирования ускорения транспортного средства;

обозначает шумовые помехи, возбуждающие процесс GM-1, используемый для моделирования ускорения транспортного средства;

обозначает погрешность по скорости вращения Земли в платформенной системе координат (P-системе координат);

обозначает погрешность по скорости перемещения транспортного средства в P-системе координат;

обозначает шумовые помехи, возбуждающие процесс GM-1, используемый для моделирования скорости перемещения транспортного средства;

обозначает погрешность вследствие смещения акселерометра;

обозначает постоянную времени процесса GM-1, используемого для моделирования смещения акселерометра;

обозначает шумовые помехи, возбуждающие процесс GM-1, используемый для моделирования смещения акселерометра;

обозначает погрешность вследствие изменения силы тяжести от экватора к полюсам;

постоянную времени процесса GM-1, используемого для моделирования изменения силы тяжести от экватора к полюсам; а

обозначает шумовые помехи, возбуждающие процесс GM-1, используемый для моделирования изменения силы тяжести от экватора к полюсам;

при этом модель измерения для фильтра определения углового пространственного положения описывается следующим выражением:

,

где

обозначает погрешность измерения удельной силы;

обозначает матрицу направляющих косинусов, преобразующую вектор из P-системы координат в связанную систему координат;

обозначает вектор ускорения свободного падения, выраженный в P-системе координат;

обозначает расчетную вариацию силы тяжести;

обозначает шум в измерениях удельной силы; а

обозначает шум в измерениях гравитационной модели.

Пример 9 включает в себя систему AHRS по любому из предшествующих примеров 1 – 8, в которой расчетная оценка среднего значения курса, полученная из фильтра курса, включает в себя расчетную оценку рыскания транспортного средства;

при этом модель процесса для фильтра курса описывается следующим выражением:

где

и

обозначают, соответственно, расчетные углы крена и тангажа, полученные из фильтра определения углового пространственного положения;

обозначает погрешность вследствие смещения гироскопа вдоль поперечной оси;

обозначает постоянную времени процесса (GM-1), используемого для моделирования погрешности вследствие смещения гироскопа вдоль поперечной оси;

обозначает шумовые помехи, возбуждающие процесс GM-1, используемый для моделирования погрешности вследствие смещения гироскопа вдоль поперечной оси;

обозначает погрешность вследствие смещения гироскопа по вертикальной оси;

обозначает постоянную времени процесса (GM-1), используемого для моделирования погрешности вследствие смещения гироскопа по вертикальной оси;

обозначает шумовые помехи, возбуждающие процесс GM-1, используемый для моделирования погрешности вследствие смещения гироскопа по вертикальной оси;

обозначает погрешность по угловой скорости навигационной системы координат (N-системы координат) транспортного средства по оси Z;

обозначает постоянную времени процесса (GM-1), используемого для моделирования угловой скорости N-системы координат транспортного средства по оси Z;

обозначает шумовые помехи, возбуждающие процесс GM-1, используемый для моделирования угловой скорости N-системы координат по оси Z;

и

обозначают белые шумы по горизонтали для моделей расчета скорости вращения Земли и скорости перемещения транспортного средства, которые выражены в N-системе координат; а установившаяся вариация шума величины

определяется следующим уравнением:

,

где

обозначает взаимную ковариационную матрицу углов крена и тангажа, полученную из фильтра определения углового пространственного положения;

измеряется в точке

и определяется следующим образом:

,

при этом модель измерения для фильтра курса описывается следующим уравнением:

,

где

обозначает погрешность курса;

обозначает шум при измерении курса, а

обозначает погрешность при измерении курса.

Пример 10 включает в себя способ управления системой AHRS для обеспечения навигации транспортного средства; при этом указанный способ включает в себя получение результатов инерциальных измерений из блока IMU, расположенного на борту транспортного средства, во время его движения; ввод результатов инерциальных измерений в фильтр определения углового пространственного положения, расположенный на борту транспортного средства; вычисление, в фильтре определения углового пространственного положения, оценки углового пространственного положения, содержащей расчетные показатели углового пространственного положения и ковариации углового пространственного положения, исходя из результатов инерциальных измерений; получение результатов измерений курса, по мере их поступления, из источника информации о курсе, расположенного на борту транспортного средства; ввод результатов измерений курса в фильтр курса, расположенный на борту транспортного средства; передачу оценки углового пространственного положения, содержащей расчетные показатели углового пространственного положения и ковариации углового пространственного положения, из фильтра определения углового пространственного положения в фильтр курса; вычисление в фильтре курса оценки курса, содержащей среднее расчетное значение курса и величину отклонения от курса, исходя из результатов измерений курса и оценки углового пространственного положения; выдачу фильтром курса оценки курса, содержащей среднее расчетное значение курса и величину отклонения от курса, по мере поступления результатов измерений курса, для использования этой оценки в обеспечении навигации транспортного средства; и выдачу оценки углового пространственного положения фильтром определения углового пространственного положения вне зависимости от наличия результатов измерений курса, благодаря чему оценку углового пространственного положения можно получить в любой области Земли для использования этой оценки в обеспечении навигации транспортного средства.

Пример 11 включает в себя способ по примеру 10, в котором транспортное средство представляет собой летательный аппарат, вертолет, управляемую ракету, космический аппарат, неуправляемую ракету, судно, подводную лодку, легковой автомобиль или грузовик.

Пример 12 включает в себя способ по любому из предшествующих примеров 10 и 11, в котором результаты оценки углового пространственного положения доступны при эксплуатации транспортного средства в полярной области Земли.

Пример 13 включает в себя способ по любому из предшествующих примеров 10 – 12, в котором оценки углового пространственного положения включают в себя расчетные показатели крена и тангажа транспортного средства.

Пример 14 включает в себя способ по любому из предшествующих примеров 10 – 13, в котором среднее расчетное значение курса включает в себя расчетную оценку рыскания транспортного средства.

Пример 15 включает в себя способ по любому из предшествующих примеров 10 – 14, в котором фильтр определения углового пространственного положения содержит модель расчета скорости вращения Земли и модель расчета скорости перемещения транспортного средства.

Пример 16 включает в себя способ по любому из предшествующих примеров 10 – 15, в котором фильтр определения углового пространственного положения дополнительно содержит модель погрешности вследствие изменения силы тяжести.

Пример 17 включает в себя способ по любому из предшествующих примеров 10 – 16, в котором модель погрешности вследствие изменения силы тяжести включает в себя процесс GM-1, определяемый следующим образом:

,

где

обозначает постоянную времени процесса GM-1;

обозначает погрешность вследствие изменений силы тяжести; а

Пример 18 включает в себя компьютерный программный продукт, содержащий энергонезависимый машиночитаемый носитель данных с хранящимися на нем командами, исполняемые процессором для реализации способа управления системой AHRS с целью обеспечения навигации транспортного средства; при этом указанный способ включает в себя: получение результатов инерциальных измерений из блока инерциальных датчиков (IMU), расположенного на борту транспортного средства, во время его движения; ввод результатов инерциальных измерений в фильтр определения углового пространственного положения, расположенный на борту транспортного средства; вычисление, в фильтре определения углового пространственного положения, оценки углового пространственного положения, содержащей расчетные показатели углового пространственного положения и ковариации углового пространственного положения, исходя из результатов инерциальных измерений; получение результатов измерений курса, по мере их поступления, из источника информации о курсе, расположенного на борту транспортного средства; ввод результатов измерений курса в фильтр курса, расположенный на борту транспортного средства; передачу оценки углового пространственного положения, содержащей расчетные показатели углового пространственного положения и ковариации углового пространственного положения, из фильтра определения углового пространственного положения в фильтр курса; вычисление в фильтре курса оценки курса, содержащей среднее расчетное значение курса и величину отклонения от курса, исходя из результатов измерений курса и оценки углового пространственного положения; выдачу фильтром курса оценки курса, содержащей среднее расчетное значение курса и величину отклонения от курса, по мере поступления результатов измерений курса, для использования этой оценки в обеспечении навигации транспортного средства; и выдачу оценки углового пространственного положения фильтром определения углового пространственного положения вне зависимости от наличия результатов измерений курса, благодаря чему оценку углового пространственного положения можно получить в любой области Земли для использования этой оценки в обеспечении навигации транспортного средства.

Хотя в настоящем документе описаны и проиллюстрированы конкретные варианты осуществления настоящего изобретения, специалистам в данной области техники понятно, что проиллюстрированный конкретный вариант реализации заявленного изобретения может быть заменен любой иной схемой, рассчитанной для достижения той же цели. Таким образом, явным образом предполагается, что настоящее изобретение ограничено лишь пунктами формулы изобретения и их эквивалентами.

Claims

1. Система определения курса и углового пространственного положения (AHRS) транспортного средства, содержащая:

блок инерциальных датчиков (IMU), установленный на борту транспортного средства и выполненный с возможностью генерирования результатов инерциальных измерений, включающих в себя измерения угловой скорости и ускорения во время эксплуатации транспортного средства;

источник информации о курсе, установленный на борту транспортного средства и выполненный с возможностью генерирования результатов измерений курса во время эксплуатации транспортного средства;

фильтр определения углового пространственного положения, установленный на борту транспортного средства и функционально связанный с блоком IMU; и

фильтр курса, установленный на борту транспортного средства и функционально связанный с источником информации о курсе;

при этом фильтр определения углового пространственного положения выполнен с возможностью:

приема результатов инерциальных измерений из блока IMU;

вычисления оценки углового пространственного положения, содержащей расчетные показатели углового пространственного положения и ковариации расчетных показателей углового пространственного положения, исходя из результатов инерциальных измерений; при этом оценка углового пространственного положения не зависит от географической широты нахождения транспортного средства и основывается на параметризации погрешностей между плавающей платформенной системой координат транспортного средства без учета поправки на погрешности гиродатчика и связанной системой координат; при этом скорость вращения Земли и скорость перемещения транспортного средства рассчитываются в платформенной системе координат, избегая особенности, обусловленной полярной областью Земли; и

выдачи оценки углового пространственного положения, содержащей расчетные показатели углового пространственного положения и ковариации расчетных показателей углового пространственного положения;

при этом фильтр курса выполнен с возможностью:

приема результатов измерений курса по мере их поступления из источника информации о курсе;

получения оценки углового пространственного положения, содержащей расчетные показатели углового пространственного положения и ковариации расчетных показателей углового пространственного положения, из фильтра определения углового пространственного положения;

вычисления оценки курса, содержащей среднее расчетное значение курса и величину отклонения от курса, исходя из результатов измерений курса и оценки углового пространственного положения; и

выдачи оценки курса, содержащей среднее расчетное значение курса и величину отклонения от курса, по мере поступления результатов измерений курса;

при этом выдача оценки углового пространственного положения из фильтра определения углового пространственного положения не зависит от наличия результатов измерений курса, благодаря чему оценку углового пространственного положения можно получить в любой области Земли при эксплуатации транспортного средства.

2. Система AHRS по п. 1, в которой в качестве транспортного средства могут быть использованы летательный аппарат, вертолет, управляемая ракета, космический аппарат, неуправляемая ракета, судно, подводная лодка, легковой автомобиль или грузовик.

3. Система AHRS по п. 1, в которой:

блок IMU содержит трехосный акселерометр и трехосный гироскоп; а

источник информации о курсе представляет собой магнитометр.

4. Система AHRS по п. 1, в которой имеются выходные данные для оценки углового пространственного положения транспортного средства, эксплуатируемого в какой-либо полярной области Земли.

5. Система AHRS по п. 1, в которой фильтр определения углового пространственного положения содержит модель расчета скорости вращения Земли и модель расчета скорости перемещения транспортного средства.

6. Система AHRS по п. 5, в которой фильтр определения углового пространственного положения дополнительно содержит модель погрешности вследствие изменения силы тяжести.

7. Система AHRS по п. 6, в которой модель погрешности вследствие изменения силы тяжести включает в себя процесс Гаусса - Маркова первого порядка (GM-1), определяемый следующим образом:

,

где

обозначает постоянную времени процесса GM-1;

8. Система AHRS по п. 1, в которой расчетные показатели углового пространственного положения включают в себя расчетные оценки крена и тангажа транспортного средства;

при этом модель процесса в фильтре определения углового пространственного положения определяется следующим выражением:

,

где

обозначает постоянную времени процесса Гаусса - Маркова первого порядка (GM-1), используемого для моделирования смещения гироскопа;

- постоянную времени процесса GM-1, используемого для моделирования изменения силы тяжести от экватора к полюсам; а

,

где

9. Система AHRS по п. 8, в которой расчетная оценка среднего значения курса, полученная из фильтра курса, включает в себя расчетную оценку рыскания транспортного средства;

,

где

и

обозначают соответственно расчетные углы крена и тангажа, полученные из фильтра определения углового пространственного положения;

и

обозначают белые шумы по горизонтали для моделей расчета скорости вращения Земли и расчета скорости перемещения транспортного средства, которые выражены в N-системе координат; а установившаяся вариация шума величины

определяется следующим уравнением:

,

где

измеряется в точке

и определяется следующим образом:

;

,

где

обозначает погрешность курса;

обозначает шум при измерении курса, а

10. Способ управления системой определения курса и углового пространственного положения (AHRS) для обеспечения навигации транспортного средства; при этом указанный способ включает в себя:

получение результатов инерциальных измерений из блока инерциальных датчиков (IMU), расположенного на борту транспортного средства во время его движения;

ввод результатов инерциальных измерений в фильтр определения углового пространственного положения, расположенный на борту транспортного средства;

вычисление в фильтре определения углового пространственного положения оценки углового пространственного положения, содержащей расчетные показатели углового пространственного положения и ковариации углового пространственного положения, исходя из результатов инерциальных измерений;

получение результатов измерений курса по мере их поступления из источника информации о курсе, расположенного на борту транспортного средства;

ввод результатов измерений курса в фильтр курса, расположенный на борту транспортного средства;

передачу оценки углового пространственного положения, содержащей расчетные показатели углового пространственного положения и ковариации углового пространственного положения, из фильтра определения углового пространственного положения в фильтр курса;

вычисление в фильтре курса оценки курса, содержащей среднее расчетное значение курса и величину отклонения от курса, исходя из результатов измерений курса и оценки углового пространственного положения;

выдачу фильтром курса оценки курса, содержащей среднее расчетное значение курса и величину отклонения от курса, по мере поступления результатов измерений курса для использования этой оценки в обеспечении навигации транспортного средства; и

выдачу оценки углового пространственного положения фильтром определения углового пространственного положения вне зависимости от наличия результатов измерений курса, благодаря чему оценку углового пространственного положения можно получить в любой области Земли для использования этой оценки в обеспечении навигации транспортного средства.

11. Способ по п. 10, в котором в качестве транспортного средства могут быть использованы летательный аппарат, вертолет, управляемая ракета, космический аппарат, неуправляемая ракета, судно, подводная лодка, легковой автомобиль или грузовик.

12. Способ по п. 10, в котором результаты оценки углового пространственного положения доступны при эксплуатации транспортного средства в полярной области Земли.

13. Способ по п. 10, в котором оценки углового пространственного положения включают в себя расчетные показатели крена и тангажа транспортного средства.

14. Способ по п. 13, в котором среднее расчетное значение курса включает в себя расчетную оценку рыскания транспортного средства.

15. Способ по п. 10, в котором фильтр определения углового пространственного положения содержит модель расчета скорости вращения Земли и модель расчета скорости перемещения транспортного средства.

16. Способ по п. 15, в котором фильтр определения углового пространственного положения дополнительно содержит модель погрешности вследствие изменения силы тяжести.

17. Способ по п. 16, в котором модель погрешности вследствие изменения силы тяжести включает в себя процесс Гаусса - Маркова первого порядка (GM-1), определяемый следующим образом:

,

где

обозначает постоянную времени процесса GM-1;

обозначает погрешность вследствие изменения силы тяжести; а

18. Энергонезависимый машиночитаемый носитель данных с хранящимися на нем командами, исполняемыми процессором для реализации способа управления системой AHRS с целью обеспечения навигации транспортного средства; при этом указанный способ включает в себя:

получение результатов инерциальных измерений из блока инерциальных датчиков (IMU), расположенного на борту транспортного средства, во время его движения;