RU2776319C1 - Method and system of magnetometric local navigation - Google Patents
Method and system of magnetometric local navigation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2776319C1 RU2776319C1 RU2022104611A RU2022104611A RU2776319C1 RU 2776319 C1 RU2776319 C1 RU 2776319C1 RU 2022104611 A RU2022104611 A RU 2022104611A RU 2022104611 A RU2022104611 A RU 2022104611A RU 2776319 C1 RU2776319 C1 RU 2776319C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- magnetic field
- block
- coordinates
- distance
- calculating
- Prior art date
Links
- 238000004870 electrical engineering Methods 0.000 abstract 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области навигации и предназначено для определения местоположения и ориентации различных объектов, в том числе и беспилотных летательных аппаратов, относительно источника переменного вращающегося низкочастотного магнитного поля. Предлагаемая система навигации может быть использована в качестве резервной в условиях нарушения работы или выходе из строя штатных систем навигации.The invention relates to the field of navigation and is intended to determine the location and orientation of various objects, including unmanned aerial vehicles, relative to a source of an alternating rotating low-frequency magnetic field. The proposed navigation system can be used as a backup in the event of a malfunction or failure of standard navigation systems.
Известны способ и устройство относительного позиционирования бортовых систем [Волковицкий А.К. Структура и алгоритмы бортовых систем относительного позиционирования: дис. канд. тех. наук. Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН, Москва, 2012]. Способ, заключающейся в создании переменного вращающегося низкочастотного магнитного поля в заданной зоне перемещения позиционируемого объекта и измерении компонент вектора этого поля подвижным приемником, вычислении пространственных координат и углов ориентации подвижного объекта. Устройство, содержащее три точечных источника переменного вращающегося низкочастотного магнитного поля, работающих на разных частотах, индукционный приемник магнитного поля, размещенный на подвижном объекте.Known method and device for relative positioning of onboard systems [Volkovitsky A.K. Structure and algorithms of onboard systems of relative positioning: dis. cand. those. Sciences. Institute of Management Problems. V.A. Trapeznikov RAN, Moscow, 2012]. The method consists in creating an alternating rotating low-frequency magnetic field in a given zone of movement of a positioned object and measuring the components of the vector of this field by a movable receiver, calculating spatial coordinates and orientation angles of the movable object. A device containing three point sources of an alternating rotating low-frequency magnetic field operating at different frequencies, an induction magnetic field receiver placed on a moving object.
Недостатком способа и устройства является низкая точность определения координат на борту объекта навигации в условиях нестабильной работы наземного источника переменного вращающегося низкочастотного магнитного поля.The disadvantage of the method and device is the low accuracy of determining the coordinates on board the navigation object in the conditions of unstable operation of a ground source of an alternating rotating low-frequency magnetic field.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату является способ и система навигации с использованием низкочастотного переменного низкочастотного магнитного поля (прототип) [Голев И.М., Сергеев А.В. Локальная система навигации с использованием низкочастотного магнитного поля // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2019. Т. 15. № 5. С. 88-94]. Способ, заключающийся в создании в пространстве переменного вращающегося низкочастотного магнитного поля, приеме, измерении амплитуды и фазы пространственных компонент этого поля и вычислении линейных координат объекта навигации. Система, содержащая источник переменного вращающегося низкочастотного магнитного поля, расположенный на поверхности Земли, трехкоординатный датчик магнитного поля, расположенный на подвижном объекте, аналого-цифровой преобразователь и аппаратно-программный комплекс для вычисления координат и выдачи координат потребителю навигационной информации.The closest in technical essence and achieved technical result is a method and a navigation system using a low-frequency variable low-frequency magnetic field (prototype) [Golev I.M., Sergeev A.V. Local navigation system using a low-frequency magnetic field // Bulletin of the Voronezh State Technical University. 2019. V. 15. No. 5. S. 88-94]. The method consists in creating an alternating rotating low-frequency magnetic field in space, receiving, measuring the amplitude and phase of the spatial components of this field and calculating the linear coordinates of the navigation object. A system containing a source of an alternating rotating low-frequency magnetic field located on the Earth's surface, a three-coordinate magnetic field sensor located on a moving object, an analog-to-digital converter and a hardware-software complex for calculating coordinates and issuing coordinates to a consumer of navigation information.
Точность таких систем во многом определяется стабильностью во времени параметров источника переменного вращающегося низкочастотного магнитного поля: амплитуды и фазы его магнитной индукции.The accuracy of such systems is largely determined by the time stability of the parameters of the source of an alternating rotating low-frequency magnetic field: the amplitude and phase of its magnetic induction.
Недостатком способа и системы является низкая точность определения координат на борту объекта навигации в условиях нестабильной работы наземного источника переменного вращающегося низкочастотного магнитного поля.The disadvantage of this method and system is the low accuracy of determining the coordinates on board the navigation object in the conditions of unstable operation of a ground source of an alternating rotating low-frequency magnetic field.
Техническим результатом данного изобретения является повышение точности определения координат объекта навигации, за счет автоматического контроля на борту объекта навигации стабильности работы наземного источника переменного вращающегося низкочастотного магнитного поля.The technical result of this invention is to increase the accuracy of determining the coordinates of the navigation object, due to the automatic control on board the navigation object of the stability of the ground source of an alternating rotating low-frequency magnetic field.
Технический результат достигается тем, что в известном способе, заключающимся в создании в пространстве переменного вращающегося низкочастотного магнитного поля, его приеме первым датчиком магнитного поля, установленном на объекте навигации, измерении амплитуды и фазы пространственных компонент магнитного поля, вычислении координат точки расположения датчика магнитного поля относительно источника магнитного поля, дополнительно принимают магнитное поле вторым датчиком магнитного поля, установленным на объекте навигации на заданном расстоянии от первого датчика магнитного поля, измеряют амплитуду и фазу пространственных компонент магнитного поля в точке расположения второго датчика магнитного поля, вычисляют координаты точки расположения второго датчика магнитного поля относительно источника магнитного поля, а также вычисляют расстояние между первым и вторым датчиками магнитного поля и сравнивают его с заданным расстоянием, оценивают относительную погрешность определения координат и сравнивают с заданной погрешностью, усредняют значения координат точек расположения первого и второго датчиков магнитного поля и выдают потребителю навигационную информацию.The technical result is achieved by the fact that in a known method, which consists in creating an alternating rotating low-frequency magnetic field in space, receiving it by the first magnetic field sensor installed on the navigation object, measuring the amplitude and phase of the spatial components of the magnetic field, calculating the coordinates of the location point of the magnetic field sensor relative to magnetic field source, additionally receive the magnetic field by the second magnetic field sensor installed on the navigation object at a given distance from the first magnetic field sensor, measure the amplitude and phase of the spatial components of the magnetic field at the location of the second magnetic field sensor, calculate the coordinates of the location of the second magnetic field sensor relative to the source of the magnetic field, and also calculate the distance between the first and second magnetic field sensors and compare it with a given distance, estimate the relative error in determining the coordinates and compare they are measured with a given error, the values of the coordinates of the points of location of the first and second magnetic field sensors are averaged, and navigation information is provided to the consumer.
Технический результат достигается тем, что в известной системе, содержащей наземный источник переменного вращающегося низкочастотного магнитного поля и мобильную часть в составе последовательно соединенных первого датчика магнитного поля, первого блока аналого-цифрового преобразования сигналов и первого блока вычисления координат, дополнительно введены последовательно соединенные второй датчик магнитного поля, второй блок аналого-цифрового преобразования сигналов и второй блок вычисления координат, а также последовательно соединенные блок вычисления расстояния, блок оценки относительной погрешности измерений, блок сравнения, блок выдачи информации потребителю и блок усреднения значений координат, при этом выход первого блока вычисления координат соединен с объединенными входами блока вычисления расстояния и блока усреднения значений координат, кроме того выход второго блока вычисления координат соединен с объединенными вторыми входами блока вычисления расстояния и блока усреднения значений координат, при этом вторые входы блоков оценки относительной погрешности измерений и сравнения, а также выход блок выдачи информации потребителю являются технологическими.The technical result is achieved by the fact that in a known system containing a ground source of an alternating rotating low-frequency magnetic field and a mobile part consisting of the first magnetic field sensor connected in series, the first block of analog-to-digital signal conversion and the first block for calculating coordinates, additionally connected in series the second magnetic field sensor fields, the second block of analog-to-digital signal conversion and the second block for calculating coordinates, as well as the series-connected block for calculating the distance, the block for estimating the relative measurement error, the comparison block, the block for issuing information to the consumer and the block for averaging coordinate values, while the output of the first block for calculating coordinates is connected with the combined inputs of the block for calculating the distance and the block for averaging the coordinate values, in addition, the output of the second block for calculating the coordinates is connected to the combined second inputs of the block for calculating the distance and the block for averaging the values coordinates, while the second inputs of the blocks for estimating the relative error of measurements and comparison, as well as the output of the block for issuing information to the consumer, are technological.
Сущность изобретения заключается в том, что в пространстве создают переменное вращающееся низкочастотное магнитное поле, его принимают двумя датчиками магнитного поля, установленными на объекте навигации на заданном расстоянии между ними, измеряют амплитуды и фазы пространственных компонент магнитного поля, вычисляют координаты точек расположения первого и второго датчиков магнитного поля относительно источника магнитного поля и вычисляют расстояние между первым и вторым датчиками магнитного поля с последующим сравнением его с заданным расстоянием между ними и вычисляют погрешность его определения. Если величина погрешности меньше допустимой, то навигационную информацию выдают потребителю. Если величина погрешности больше допустимой, то подают сигнал, запрещающий выдачу навигационной информации потребителю. Это позволяет повысить точность определения линейных координат на борту объекта навигации в условиях нестабильной работы наземного источника переменного вращающегося низкочастотного магнитного поля.The essence of the invention lies in the fact that an alternating rotating low-frequency magnetic field is created in space, it is received by two magnetic field sensors installed on the navigation object at a given distance between them, the amplitudes and phases of the spatial components of the magnetic field are measured, and the coordinates of the points of location of the first and second sensors are calculated magnetic field relative to the source of the magnetic field and calculate the distance between the first and second magnetic field sensors, followed by comparing it with a given distance between them and calculate the error of its determination. If the error is less than the permissible value, then the navigation information is given to the consumer. If the error value is greater than the allowable one, then a signal is given that prohibits the issuance of navigation information to the consumer. This makes it possible to increase the accuracy of determining linear coordinates on board the navigation object in the conditions of unstable operation of a ground source of an alternating rotating low-frequency magnetic field.
На фиг. 1 приведена структурная схема системы, реализующей способ магнитометрической локальной навигации, где обозначены:In FIG. Figure 1 shows a block diagram of a system that implements the method of magnetometric local navigation, where the following are indicated:
1 - источник переменного низкочастотного вращающегося магнитного поля;1 - source of alternating low-frequency rotating magnetic field;
2 - условное обозначение переменного низкочастотного вращающегося магнитного поля;2 - symbol of a variable low-frequency rotating magnetic field;
3-1 и 3-2 - датчики магнитного поля;3-1 and 3-2 - magnetic field sensors;
4-1 и 4-2 - блоки аналого-цифрового преобразования сигналов;4-1 and 4-2 - blocks of analog-to-digital signal conversion;
5-1 и 5-2 - блоки вычисления координат;5-1 and 5-2 - blocks for calculating coordinates;
6 - блок вычисления расстояния;6 - distance calculation block;
7 - блок оценки относительной погрешности измерений;7 - block for estimating the relative measurement error;
8 - блок сравнения;8 - comparison block;
9 - блок выдачи информации потребителю;9 - block issuing information to the consumer;
10 - блок усреднения значений координат.10 - block averaging coordinate values.
Выходы датчиков магнитного поля 3-1 и 3-2 соединены с входами блоков аналого-цифрового преобразования сигналов 4-1 и 4-2 соответственно. Выходы блоков аналого-цифровых преобразователей сигналов 4-1 и 4-2 соединены с входами блоков вычисления координат 5-1 и 5-2, выходы которых подключены к объединенным входам блока вычисления расстояния 6 и ко входам блока усреднения значения координат 10. Последовательно соединены блоки вычисления расстояния 6, оценки относительной погрешности измерений 7, сравнения 8, выдачи информации потребителю 9 и усреднения значений координат 10.The outputs of the magnetic field sensors 3-1 and 3-2 are connected to the inputs of the blocks of analog-to-digital conversion of signals 4-1 and 4-2, respectively. The outputs of the blocks of analog-to-digital signal converters 4-1 and 4-2 are connected to the inputs of the blocks for calculating the coordinates 5-1 and 5-2, the outputs of which are connected to the combined inputs of the block for calculating the
Источник переменного низкочастного вращающегося магнитного поля 1 может быть выполнен в виде двух взаимно перпендикулярных катушек индуктивности (см., например, рис. 2, статья Голев И.М., Сергеев А.В. Локальная система навигации с использованием низкочастотного магнитного поля// Вестник Воронежского государственного технического университета. 2019. Т. 15. № 5. С. 88-94.).The source of an alternating low-frequency rotating
Датчики магнитного поля 3-1 и 3-2 могут быть выполнены на основе феррозондовых преобразователей, например датчиков DRV425EVM (см. https://www.ti.com/tool/DRV425EVM).Magnetic field sensors 3-1 and 3-2 can be based on fluxgate transducers, such as DRV425EVM sensors (see https://www.ti.com/tool/DRV425EVM).
Блоки аналого-цифрового преобразования сигналов 4-1 и 4-2, и блоки вычисления координат 5-1 и 5-2 могут быть выполнены на базе одноплатных компьютеров Raspberry Pi 4 Model В (смотри https://amperka.ru/product/raspberry-pi-4-model-b-4-gb) с платой расширения АЦП/ЦАП для Raspberry Pi (AD/DA) (см. https://miniboard.com.ua//p1aty-rasshireniya/184-acpcap-plata-rasshireniya-dlya-raspberry-pi-adda. html).Blocks of analog-to-digital signal conversion 4-1 and 4-2, and blocks for calculating coordinates 5-1 and 5-2 can be implemented on the basis of Raspberry Pi 4 Model B single-board computers (see https://amperka.ru/product/raspberry -pi-4-model-b-4-gb) with ADC/DAC expansion board for Raspberry Pi (AD/DA) (see https://miniboard.com.ua/ / p1aty-rasshireniya/184-acpcap-plata -rasshirniya-dlya-raspberry-pi-adda.html).
Блок вычисления расстояния 6 предназначен на для вычисления линейного расстояния Rвыч между первым и вторым датчиками магнитного поля 3-1 и 3-2 на основания результатов вычисления координат (х, z, у) и (х', z', у) поступающих с блоков вычисления координат 5-1 и 5-2, в соответствии с выражением:The
Блок оценки относительной погрешности измерений 7 предназначен для вычисления относительной погрешности результатов вычисления линейного расстояния Rвыч, в соответствии с выражением:The relative measurement
где Rзад - заданное, определяемое конструкцией объекта навигации, линейное расстояние между датчиками магнитного поля 3-1 и 3-2, которое вводится через технологический вход.where R set - given, determined by the design of the navigation object, the linear distance between the magnetic field sensors 3-1 and 3-2, which is entered through the process input.
Блок сравнения 8 предназначен для сравнение вычисленной погрешности δR c допустимой δRдоп. Если погрешность δR не превышает допустимую для данной системы величину δRдоп, то на блок выдачи информации потребителю 9 подают сигнал, разрешающий выдачу навигационной информации потребителю. Если δR>δRдоп, то на блок выдачи информации потребителю 9 подают сигнал, запрещающий выдачу навигационной информации потребителю.
Назначение блок выдачи информации потребителю 9 понятно из названия.The purpose of the block for issuing information to the
Блок усреднения значений координат 10 предназначен для усреднения значения вычисленных координатах (х, z, у) и (х', z', у'), вычисленных с помощью блоков вычисления координат 5-1 и 5-2.The coordinate
Блоки вычисления расстояния 6, оценки относительной погрешности измерений 7, сравнения 8, выдачи информации потребителю 9, усреднения значений координат 10 могут быть выполнены на базе микрокомпьютера, например, NVIDIA Jetson Nano (смотри littps://onpad.ru/catalog/cubie/nvidia/3090.html).
Система, реализующая способ магнитометрической локальной навигации, работает следующим образом. На борту объекта навигации размещают два одинаковых датчика магнитного поля 3-1 и 3-2 на заданном расстоянии Rзад друг от друга. При подготовке к применению мобильной части системы магнитометрической локальной навигации через технологический вход в блок оценки относительной погрешности измерений 7 вводят заданное значение расстояния Rзад, а в блок сравнения 8 вводят величину допустимой погрешности определения заданного расстояния между датчиками δRдоп. Создают в пространстве переменное вращающееся низкочастотное магнитное поле. С помощью двух датчиков магнитного поля 3-1 и 3-2 измеряют амплитудные и фазовые компоненты магнитного поля в точках размещения датчиков. Выходные напряжения с датчиков магнитного поля 3-1 и 3-2 подают на входы двух блоков аналогового цифровых преобразователей 4-1 и 4-2 соответственно. Цифровые сигналы подают на входы блоков вычисления координат 5-1 и 5-2. Вычисленные значения координат (х, z, у) и (х', z', у') подают на объединенные вторые входы блоков вычисления расстояния 6 и усреднения значений координат 10. В блоке вычисления расстояния 6 происходит вычисление линейного расстояние Rвыч между датчиками магнитного поля 3-1 и 3-2, в соответствии с выражением (1). В блоке оценки относительной погрешности измерений 7 вычисляют относительную погрешность результатов вычисления линейного расстояния Rвыч, в соответствии с выражением (2). В блоке сравнения 8 сравнивают вычисленную погрешность δR с допустимой δRдоп. Если погрешность δR не превышает допустимую для данной системы величину δRдоп, то на блок выдачи информации потребителю 9 подают разрешающий сигнал. Если δR>δRдоп, то на блок выдачи информации потребителю 9 подают запрещающий сигнал.The system that implements the method of magnetometric local navigation operates as follows. Two identical magnetic field sensors 3-1 and 3-2 are placed on board the navigation object at a given distance R back from each other. In preparation for the use of the mobile part of the system of magnetometric local navigation through the technological input in the block for estimating the
Claims (2)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2776319C1 true RU2776319C1 (en) | 2022-07-18 |
Family
ID=
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2824864C1 (en) * | 2024-03-01 | 2024-08-14 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации | Magnetometric navigation system |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20180292216A1 (en) * | 2015-10-13 | 2018-10-11 | Siemens Aktiengesellschaft | Method, device and system for determining an indoor position |
| RU2689332C2 (en) * | 2014-05-12 | 2019-05-27 | МАЙКРОСОФТ ТЕКНОЛОДЖИ ЛАЙСЕНСИНГ, ЭлЭлСи | Adaptive positioning |
| EP3350543B1 (en) * | 2015-09-16 | 2019-07-03 | Raytheon Company | Magnetic field gradient navigation aid |
| RU2713188C1 (en) * | 2019-06-24 | 2020-02-04 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "Технологии и системы радиомониторинга" | Method for single-position determination of coordinates of sources of high-frequency radio waves during ionospheric propagation |
| RU2736885C1 (en) * | 2017-08-11 | 2020-11-23 | Телефонактиеболагет Лм Эрикссон (Пабл) | Method and apparatus for controlling positioning of target device in communication network |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2689332C2 (en) * | 2014-05-12 | 2019-05-27 | МАЙКРОСОФТ ТЕКНОЛОДЖИ ЛАЙСЕНСИНГ, ЭлЭлСи | Adaptive positioning |
| EP3350543B1 (en) * | 2015-09-16 | 2019-07-03 | Raytheon Company | Magnetic field gradient navigation aid |
| US20180292216A1 (en) * | 2015-10-13 | 2018-10-11 | Siemens Aktiengesellschaft | Method, device and system for determining an indoor position |
| RU2736885C1 (en) * | 2017-08-11 | 2020-11-23 | Телефонактиеболагет Лм Эрикссон (Пабл) | Method and apparatus for controlling positioning of target device in communication network |
| RU2713188C1 (en) * | 2019-06-24 | 2020-02-04 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "Технологии и системы радиомониторинга" | Method for single-position determination of coordinates of sources of high-frequency radio waves during ionospheric propagation |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2824864C1 (en) * | 2024-03-01 | 2024-08-14 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации | Magnetometric navigation system |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CA2097962C (en) | Non-concentricity compensation in position and orientation measurement systems | |
| JPH08512125A (en) | Method and apparatus for measuring the position and orientation of an object in the presence of interfering metals | |
| US4017858A (en) | Apparatus for generating a nutating electromagnetic field | |
| CA1045703A (en) | Object tracking and orientation determination means, system and process | |
| RU2011126859A (en) | GEOPHYSICAL EXPLORATION USING ROTARY INVARIANT PARAMETERS OF NATURAL ELECTROMAGNETIC FIELDS | |
| Nelson | Calculation of the magnetic gradient tensor from total field gradient measurements and its application to geophysical interpretation | |
| CN106772228B (en) | Aerial target radiation source localization method based on arriving signal intensity | |
| RU2614192C1 (en) | Method of inertial data estimation and its correction according to measurement of doppler velocity sensor | |
| RU2776319C1 (en) | Method and system of magnetometric local navigation | |
| RU2718737C1 (en) | Method of determining coordinates of radio-frequency radiation sources | |
| JP3635092B2 (en) | Method for stabilizing the direction indication by a magnetic compass | |
| RU2490663C1 (en) | Method of determining position of object relative electromagnetic field source and apparatus for realising said method | |
| Sineglazov | Landmarks navigation system software | |
| RU2440595C1 (en) | Method and apparatus for controlling pilot-navigation system | |
| RU2686855C1 (en) | Gradiometric method of magnetic survey and device for its implementation | |
| RU2413240C1 (en) | Method to determine distance from receiver of electromagnet field on object to transmitter and device for its realisation | |
| CN110296634A (en) | The detection mode and precision analytical method of split type guidance | |
| Fateev et al. | Phase ambiguity resolution in the GLONASS/GPS navigation equipment, equipped with antenna arrays | |
| RU2664128C1 (en) | Method of control of sensors of the mobile object orientation system and the device for its implementation | |
| RU2808125C1 (en) | Magnetometric complex for navigation of objects in space | |
| RU2824864C1 (en) | Magnetometric navigation system | |
| Sotnikov et al. | Calculating method of error calculations of the object coordination by means of conducting platform free inertial navigation systems of an unmanned aerial vehicle | |
| Morozov et al. | Methodology for determining the delays in sensor measurements in navigation systems | |
| Alegria | Phase estimation using sine fitting with low number of samples is biased in the presence of additive noise | |
| RU2262075C1 (en) | Method and device for measuring magnetic heading |