RU2784859C1 - Method for platform-free orientation of moving objects - Google Patents

Method for platform-free orientation of moving objects Download PDF

Info

Publication number
RU2784859C1
RU2784859C1 RU2022116057A RU2022116057A RU2784859C1 RU 2784859 C1 RU2784859 C1 RU 2784859C1 RU 2022116057 A RU2022116057 A RU 2022116057A RU 2022116057 A RU2022116057 A RU 2022116057A RU 2784859 C1 RU2784859 C1 RU 2784859C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
information
orientation
vector
vectors
signals
Prior art date
Application number
RU2022116057A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Герман Михайлович Проскуряков
Виктор Александрович Пыльский
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.) filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.)
Application granted granted Critical
Publication of RU2784859C1 publication Critical patent/RU2784859C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: moving objects strapdown orientation.
SUBSTANCE: claimed invention relates to a method for strapdown orientation of moving objects. For the orientation of moving objects, primary instrumental information is formed about the object's apparent acceleration vector based on the signals of a pre-calibrated non-orthogonal block of accelerometers, the vector of the resulting magnetic field strength from the signals of a pre-calibrated non-orthogonal block of magnetometers, the radius vector of the object's location point based on the signals of the satellite navigation system, as well as on the subsequent the processing of this complex magnetic-inertial-satellite information in order to determine the parameters of the orientation of the object in a certain way performs autonomous control, self-diagnosis, correction and normalization of the results obtained.
EFFECT: increased fault tolerance of the orientation system.
1 cl, 2 dwg, 6 tbl

Description

Изобретение относится к области бортового приборостроения и автоматики, может быть использовано для решения задач ориентации и управления подвижными объектами.The invention relates to the field of on-board instrumentation and automation, can be used to solve problems of orientation and control of moving objects.

При управлении подвижными объектами (ПО) в околоземном пространстве (наземными и подземными, плавающими и подводными, летательными и баллистическими, внутритрубными и космическими) наряду с задачей навигации необходимо решать задачу пространственной ориентации. При этом к системам ориентации ПО предъявляют наряду с требованиями высокой точности требования по обеспечению высокой надежности работы в эксплуатации, а также требование обеспечения отказоустойчивости с целью реализации условия работоспособности систем ориентации в резервно-аварийных режимах (РАР).When controlling mobile objects (MO) in near-Earth space (ground and underground, floating and underwater, flying and ballistic, in-line and space), along with the task of navigation, it is necessary to solve the problem of spatial orientation. At the same time, along with the requirements of high accuracy, the software orientation systems are subject to requirements for ensuring high reliability in operation, as well as the requirement to ensure fault tolerance in order to implement the condition for the orientation systems to work in standby emergency modes (RAR).

Анализ существующих способов решения задач бесплатформенной ориентации ПО в околоземном пространстве показывает, что большинство существующих способов ориентировано на достижение в первую очередь высоких показателей точности определения параметров ориентации и почти не предполагает обеспечение условий отказоустойчивости и работоспособности систем в РАР [1-3].An analysis of the existing methods for solving the tasks of strapdown software orientation in near-Earth space shows that most of the existing methods are focused on achieving, first of all, high accuracy in determining the orientation parameters and almost does not imply ensuring fault-tolerance and operability of systems in PAP [1-3].

Известен бесплатформенный способ инерциальной ориентации ПО, заключающийся в определении параметров ориентации объектов путем интегрирования по времени сигналов трехосных блоков гироскопов (ТБГ) с учетом предварительно определенных параметров начальной ориентации ПО в предстартовых условиях [1, 2]. Способ является автономным, помехоустойчивым, высоконадежным. Недостатки способа:Known strapdown method of inertial orientation software, which consists in determining the parameters of the orientation of objects by integrating the signals of triaxial units of gyroscopes (TBG) over time, taking into account predetermined parameters of the initial orientation software in prelaunch conditions [1, 2]. The method is autonomous, noise-resistant, highly reliable. The disadvantages of the method:

- низкая точность решения задачи ориентации из-за проявления дрейфа сигналов гироскопов,- low accuracy of solving the orientation problem due to the drift of gyroscope signals,

- ограничение времени активной работы системы инерциальной ориентации и необходимость выполнения операций коррекции системы,- limiting the time of active operation of the inertial orientation system and the need to perform system correction operations,

отсутствие свойства отказоустойчивости системы инерциальной ориентации и невозможность ее работы в РАР при отказах гироскопов в трехосных блоках. Таким образом, способ инерциальной ориентации ПО при трехосных схемах построения блоков гироскопов не обеспечивает свойство аварийноспособности системе ориентации.the absence of the fail-safe property of the inertial orientation system and the impossibility of its operation in the PAP in case of failures of gyroscopes in triaxial blocks. Thus, the method of inertial orientation of software with triaxial schemes for constructing blocks of gyroscopes does not provide the failsafe property of the orientation system.

Известен способ автономной бесплатформенной ориентации ПО по геофизическим полям (ГФП), который свободен от основного недостатка способа инерциальной ориентации [3]. Этот способ основан на вычислении параметров ориентации ПО по показаниями трехосных блоков акселерометров (ТБА) и магнитометров (ТБМ). Сущность способа заключается в том, что на основе показаний ТБА вычисляют параметры, характеризующие отклонения ПО от плоскости горизонта (углы крена (γ) и тангажа ϑ по показаниям ТБМ вычисляют угол магнитного курса ϕ.There is a known method of offline strapdown orientation software on geophysical fields (HFP), which is free from the main drawback of the method of inertial orientation [3]. This method is based on the calculation of the PO orientation parameters from the readings of triaxial accelerometer units (TBA) and magnetometers (TBM). The essence of the method lies in the fact that, based on the readings of the TBA, parameters are calculated that characterize the deviations of the software from the horizon plane (roll angles (γ) and pitch angle ϑ according to the readings of the TBA, the angle of the magnetic heading ϕ is calculated.

Способ ориентации ПО по ГФП получил название способа аналитического горизонт-компасирования (АГК). Причем вычислительные операции аналитического компасирования (АК) проводят с учетом результатов предварительно выполненных операций аналитического горизонтирования (АГ). В этом проявляется свойство связанности операций АГ и АК в способе АГК. При этом погрешности, характеризующие неточность выполнения операций АГ (Δγ; Δϑ) оказывают существенное влияние на точность определения магнитного курса ϕ на этапе АК.The method of PO orientation by HFP is called the method of analytical horizon-compassing (AHK). Moreover, the computational operations of analytical compassing (AC) are carried out taking into account the results of previously performed operations of analytical leveling (AG). This shows the property of the connectedness of the operations AG and AK in the AGK method. At the same time, the errors characterizing the inaccuracy of the AG operations (Δγ; Δϑ) have a significant impact on the accuracy of determining the magnetic course ϕ at the AK stage.

Связанность каналов АГ и АК в способе АГК приводит к тому, что при любом отказе в канале АГ канал АК также становится неработоспособным. Этот факт усугубляет недостаток способа АГК, связанный с отсутствием у него свойства адаптации к отказам.The connection of the AG and AK channels in the AGK method leads to the fact that with any failure in the AG channel, the AK channel also becomes inoperable. This fact exacerbates the shortcoming of the AGK method associated with its lack of ability to adapt to failures.

К основному недостатку способа АГК относят то, что способ может быть реализован только в режиме остановок ПО (режим ZUPT) [3]. В режиме движения ПО проявляются динамические погрешности инерциального канала из-за возмущаемости ТБА со стороны ускорений

Figure 00000001
движения ПО.The main disadvantage of the AGK method is that the method can only be implemented in the software shutdown mode (ZUPT mode) [3]. In the motion mode of the software, dynamic errors of the inertial channel appear due to the perturbation of the TBA from the side of accelerations
Figure 00000001
software movement.

При трехосной схеме построения блоков (ТБА, ТБМ) способ АГК не обеспечивает условия адаптации к отказам бесплатформенной системы ориентации (БСО).With a three-axis block construction scheme (TBA, TBM), the AGK method does not provide conditions for adapting to failures of a strapdown orientation system (BSO).

Известен способ аналитической пространственной ориентации (АПО) ПО в околоземном пространстве, который свободен от недостатка способа АГК, обусловленного связанностью каналов горизонтирования и компасирования [4].There is a known method of analytical spatial orientation (APO) software in near-Earth space, which is free from the disadvantage of the AGC method, due to the connectivity of the channels of leveling and compassing [4].

Сущность способа АПО заключается в том, что на основе двухвекторной магнито-инерциальной информации о векторах кажущегося ускорения

Figure 00000002
ПО и напряженности
Figure 00000003
результирующего магнитного поля, получаемой с помощью ТБА и ТБМ, соответственно, одновременно (непоэтапно) вычисляют параметры ориентации ПО в условиях функциональной избыточности информации. Следовательно, в способе АПО каналы АГ и АК не обособлены друг от друга, а объединены в один общий канал-канал АПО. К недостаткам способа АПО следует отнести следующее:The essence of the APO method lies in the fact that, based on two-vector magneto-inertial information about the apparent acceleration vectors
Figure 00000002
PO and tension
Figure 00000003
of the resulting magnetic field obtained with the help of TBA and TBM, respectively, at the same time (non-stage) calculate the orientation parameters of the software under conditions of functional redundancy of information. Therefore, in the APO method, the AG and AK channels are not isolated from each other, but are combined into one common channel, the APO channel. The disadvantages of the APO method include the following:

- работоспособность системы АПО обеспечивается только в режимах остановок ПО или на маломаневренных объектах (как и для способа АГК),- the operability of the APS system is ensured only in the modes of AP stops or on low-maneuverable objects (as for the AGK method),

- на аппаратном уровне не обеспечиваются условия для реализации свойства отказоустойчивости системы АПО в РАР,- at the hardware level, conditions are not provided for the implementation of the fault-tolerance property of the AFS system in PAP,

- повышенная сложность алгоритмов обработки информации предъявляет повышенные требования к вычислительным характеристикам вычислителя (длине разрядной сетки, быстродействию, информационной производительности).- the increased complexity of information processing algorithms imposes increased requirements on the computational characteristics of the calculator (the length of the bit grid, speed, information performance).

Таким образом, способ АПО устраняет многие недостатки способов-аналогов бесплатформенной ориентации ПО, но не устраняет основной общий недостаток - отсутствие свойства отказоустойчивости системы ориентации.Thus, the AFS method eliminates many of the shortcomings of methods-analogues of platformless software orientation, but does not eliminate the main common drawback - the lack of a fail-safe property of the orientation system.

Свойство функциональной отказоустойчивости (инструментальной (аппаратной) и информационной) может быть реализовано в условиях обеспечения структурно или функционально избыточной информации [5, 6].The property of functional fault tolerance (instrumental (hardware) and informational) can be implemented in terms of providing structurally or functionally redundant information [5, 6].

Известен способ бесплатформенной ориентации и навигации ПО, основанный на обработке многомерной информации, получаемой с помощью блоков векторных датчиков с неортогонально установленными осями чувствительности [7, с. 253]; [8, с. 216]. Неортогональная установка векторных датчиков в блоке позволяет реализовать условия для структурной (за счет резервирования) и функциональной избыточности информации, что в свою очередь способствует повышению показателей точности, надежности системы, а также придания им свойства аппаратной (инструментальной) отказоустойчивости и работоспособности в РАР.There is a method of strapdown orientation and software navigation based on the processing of multidimensional information obtained using blocks of vector sensors with non-orthogonally set sensitivity axes [7, p. 253]; [8, p. 216]. The non-orthogonal installation of vector sensors in the unit makes it possible to implement the conditions for structural (due to redundancy) and functional redundancy of information, which in turn contributes to an increase in the accuracy and reliability of the system, as well as giving them the properties of hardware (instrumental) fault tolerance and operability in the PAP.

К недостаткам способа бесплатформенной автономной ориентации ПО на основе использования информации от блоков с неортогонально установленными векторными датчиками (акселерометрами, магнитометрами) следует отнести отсутствие свойства функциональной избыточности информации на этапе обработки полученной первичной приборной информации (ППИ)The disadvantages of the method of strapdown autonomous software orientation based on the use of information from blocks with non-orthogonally installed vector sensors (accelerometers, magnetometers) include the lack of functional redundancy of information at the stage of processing the received primary instrument information (PIR)

Известен способ бесплатформенной ориентации ПО, основанный на комплексной обработке магнито-инерциально-спутниковой информации, получаемой от блоков автономной информации (ТБА, ТБМ) и спутниковой навигационной системы (СНС) [9]. Этот способ наиболее близок к предлагаемому изобретению и поэтому принят за прототип.There is a method of strapdown software orientation, based on the complex processing of magnetic-inertial-satellite information received from blocks of autonomous information (TBA, TBM) and satellite navigation system (SNS) [9]. This method is closest to the present invention and therefore taken as a prototype.

Сущность способа заключается в том, что на основе показаний автономных блоков формируют информацию о векторах кажущегося ускорения ПО

Figure 00000004
и напряженности магнитного поля
Figure 00000005
в осях базиса m, связанного с ПО, а на основе показаний СНС вычисляют проекции этих же векторов
Figure 00000006
на оси географического базиса q=NHE.The essence of the method lies in the fact that, based on the readings of autonomous blocks, information about the apparent acceleration vectors of the software is formed
Figure 00000004
and magnetic field strength
Figure 00000005
in the axes of the basis m associated with the software, and based on the readings of the SNS, the projections of the same vectors are calculated
Figure 00000006
on the axis of the geographical basis q=NHE.

Затем на основе магнито-инерциальной информации о векторах

Figure 00000007
составляют матричное уравнение, решение которого дает информацию о матрице ориентации А базиса m относительно базиса q.Then, based on the magneto-inertial information about the vectors
Figure 00000007
form a matrix equation, the solution of which gives information about the orientation matrix A of the basis m with respect to the basis q.

К недостаткам этого способа ориентации ПО следует отнести следующее:The disadvantages of this method of software orientation include the following:

- невысокая точность решения задачи ориентации из-за возмущаемости магнитометрического канала, обусловленной влиянием магнитного поля самого ПО, не учитываемого в способе обработки информации,- low accuracy of solving the orientation problem due to the perturbation of the magnetometric channel, due to the influence of the magnetic field of the software itself, which is not taken into account in the information processing method,

- низкие показатели надежности системы ориентации, реализующей этот способ, т.к. отказ любого датчика приводит к неработоспособному состоянию всю систему,- low reliability of the orientation system that implements this method, because the failure of any sensor leads to an inoperable state of the entire system,

- отсутствие свойства отказоустойчивости и работоспособности системы ориентации в РАР из-за отсутствия аппаратной и функциональной избыточности информации.- lack of fault-tolerance and operability of the orientation system in PAP due to the lack of hardware and functional redundancy of information.

Для устранения указанных недостатков необходимо усовершенствовать магнитометрический канал и создать условия для аппаратной и функциональной избыточности информации по всем каналам от процесса измерений до вычислений.To eliminate these shortcomings, it is necessary to improve the magnetometric channel and create conditions for hardware and functional redundancy of information in all channels from the measurement process to calculations.

Задача настоящего изобретения заключается в устранении недостатков способа ориентации, основанного на обработке магнито-инерциально-спутниковой информации.The objective of the present invention is to eliminate the shortcomings of the orientation method based on the processing of magnetic-inertial-satellite information.

Поставленная задача решается за счет совершенствования магнитометрического канала в направлении учета технологических дестабилизирующих факторов, связанных с влиянием магнитного поля объекта (МПО), погрешностей сборки и монтажа блоков, а также за счет реализации условий для обеспечения структурной и функциональной избыточности информации, достигаемых путем использования неортогональной схемы установки в блоках векторных датчиков и разработки многовариантных алгоритмов обработки комбинированной информации.The problem is solved by improving the magnetometric channel in the direction of taking into account technological destabilizing factors associated with the influence of the magnetic field of the object (MFO), errors in the assembly and installation of blocks, as well as by implementing the conditions for ensuring the structural and functional redundancy of information, achieved by using a non-orthogonal scheme installation in blocks of vector sensors and development of multivariant algorithms for processing combined information.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами (Фиг. 1, 2). На Фиг. 1 представлена схема установки векторных датчиков первичной информации (ДЛИ) в неортогональных блоках: блоке акселерометров (НБА) и блоке магнитометров (НБМ). На Фиг. 1 приняты следующие обозначения:The present invention is illustrated by drawings (Fig. 1, 2). On FIG. Figure 1 shows a diagram of the installation of primary information vector sensors (PLI) in non-orthogonal blocks: an accelerometer block (NBA) and a magnetometer block (NBM). On FIG. 1 adopted the following designations:

XYZ- система координат (базис m), связанная с ПО,XYZ - coordinate system (basis m) associated with the software,

Figure 00000008
- оси чувствительности одномерных ДПИ,
Figure 00000008
- sensitivity axes of one-dimensional DPI,

Xt; βt

Figure 00000009
- углы ориентации осей чувствительности ДПИ относительно продольной оси ОХ связанного базиса m,X t ; βt
Figure 00000009
- angles of orientation of the DPI sensitivity axes relative to the longitudinal axis OX of the associated basis m,

v - число ДПИ в блоке (НБА или НБМ).v - number of DPI in the block (NBA or NBM).

На Фиг. 2 представлена функциональная схема способа магнито-инерциальной неортогональной ориентации расширенной (МИНОР). На Фиг. 2 приняты следующие обозначения:On FIG. 2 shows a functional diagram of the extended magnetic-inertial non-orthogonal orientation (MINOR) method. On FIG. 2, the following designations are adopted:

1 - позиция, соответствующая выполнению операций метрологической тарировки, аналитической юстировки и технологической калибровки ДПИ и блоков (НБА, НБМ),1 - position corresponding to the performance of operations of metrological calibration, analytical adjustment and technological calibration of DPI and blocks (NBA, NBM),

2 - позиция, соответствующая процессу измерений с помощью НБА и НБМ проекций вектора кажущегося ускорения

Figure 00000010
и вектора напряженности
Figure 00000011
результирующего магнитного поля на оси чувствительностей датчиков, а также формированию многомерных векторов
Figure 00000012
в приборных базисах
Figure 00000013
2 - position corresponding to the process of measuring projections of the apparent acceleration vector with the help of NBA and NBM
Figure 00000010
and tension vector
Figure 00000011
the resulting magnetic field on the sensitivity axis of the sensors, as well as the formation of multidimensional vectors
Figure 00000012
in instrument bases
Figure 00000013

3 - позиция, соответствующая процессу обработки первичной приборной информации (ППИ) и формирования многовариантных скорректированных векторов

Figure 00000014
и
Figure 00000015
приведенных к осям связанного с объектом базиса m=XYZ,3 - position corresponding to the process of processing primary instrument information (PDI) and the formation of multivariate corrected vectors
Figure 00000014
and
Figure 00000015
reduced to the axes of the basis m=XYZ associated with the object,

4 - позиция, соответствующая процессу обработки магнито-инерциально-спутниковой информации по алгоритмам МИНОР,4 - position corresponding to the process of processing magnetic-inertial-satellite information according to MINOR algorithms,

5 - позиция, соответствующая процессу автономного контроля и нормировки (АКН) по алгоритмам контроля автономного, самотестирования, коррекции и аналитической диагностики (КАСКАД).5 - position corresponding to the process of autonomous control and normalization (ACN) according to the algorithms of autonomous control, self-testing, correction and analytical diagnostics (CASCADE).

6 - спутниковая навигационная система (СНС), формирующая навигационную информацию о географической широте ϕ, долготе λ, высоте h и модуле радиуса-вектора

Figure 00000016
6 - satellite navigation system (SNS), which generates navigation information about the geographic latitude ϕ, longitude λ, height h and radius vector modulus
Figure 00000016

Тонкими линиями на схеме (Фиг. 2) обозначены потоки информации об одних векторах

Figure 00000017
или информации о скалярных величинах (ϕ,λ,r). Двойными линиями обозначены потоки многомерной и многовекторной информации.Thin lines in the diagram (Fig. 2) indicate the flows of information about some vectors
Figure 00000017
or information about scalar quantities (ϕ,λ,r). Double lines indicate the flows of multidimensional and multivector information.

Способ МИНОР заключается в последовательном выполнении операций технологических калибровок, измерений, формирования ППИ и ее комбинированной обработки (Фиг. 1, 2):The MINOR method consists in the sequential execution of operations of technological calibrations, measurements, formation of PPI and its combined processing (Fig. 1, 2):

1. Заранее (до старта ПО) выполняют операции метрологических тарировок, аналитических юстировок и технологических калибровок магнитометрического и инерциального каналов измерений (поз. 1 на Фиг. 2). Технологические операции выполняют по методике, описанной в научно-технической литературе [10].1. In advance (before the start of the software), the operations of metrological calibration, analytical adjustments and technological calibrations of the magnetometric and inertial measurement channels (pos. 1 in Fig. 2) are performed. Technological operations are performed according to the methodology described in the scientific and technical literature [10].

Обработку полученной информации выполняют по алгоритмам технологического обеспечения модуля (АТОМ). На выходе блока (поз. 1 на Фиг. 2) формируют технологическую информацию (ТИ) об индивидуальных параметрах ДПИ, НБА, НБМ и модуля.Processing of the received information is carried out according to the algorithms of technological support of the module (ATOM). At the output of the block (pos. 1 in Fig. 2), technological information (TI) is formed about the individual parameters of the DPI, NBA, NBM and the module.

2. В процессе измерений вектора кажущегося ускорения

Figure 00000018
с помощью НБА и вектора напряженности результирующего магнитного поля
Figure 00000019
с помощью НБМ формируют многомерные (v-мерные) векторы
Figure 00000020
и
Figure 00000021
в виде проекций
Figure 00000022
и
Figure 00000023
векторов
Figure 00000024
(Фиг. 1) на оси чувствительностей акселерометров и магнитометров (поз. 2, Фиг. 2).2. In the process of measuring the apparent acceleration vector
Figure 00000018
using the NBA and the vector of the resulting magnetic field
Figure 00000019
using NBM form multidimensional (v-dimensional) vectors
Figure 00000020
and
Figure 00000021
in the form of projections
Figure 00000022
and
Figure 00000023
vectors
Figure 00000024
(Fig. 1) on the sensitivity axis of accelerometers and magnetometers (pos. 2, Fig. 2).

Figure 00000025
Figure 00000025

где

Figure 00000026
- векторы кажущегося ускорения
Figure 00000027
ПО и напряженности магнитного поля Земли (МПЗ), отнесенные к географическому базису q=NHE,where
Figure 00000026
- apparent acceleration vectors
Figure 00000027
SO and strength of the Earth's magnetic field (EMF), referred to the geographical basis q=NHE,

Figure 00000028
- векторы
Figure 00000029
отнесенные к базису m=XYZ, связанному с ПО,
Figure 00000028
- vectors
Figure 00000029
referred to the m=XYZ basis associated with the software,

Figure 00000030
- многомерные приборные векторы (v х 1), компонентами которых являются показания блоков НБА и НБМ,
Figure 00000030
- multidimensional instrumental vectors (v x 1), whose components are the readings of the NBA and NBM units,

Figure 00000031
- абсолютное ускорение ПО и ускорение свободно падающего тела, отнесенные к связанному базису m=XYZ,
Figure 00000031
- absolute acceleration of the software and the acceleration of a freely falling body, referred to the associated basis m=XYZ,

Figure 00000032
- векторы напряженностей магнитных полей ПО (МПО) и электромагнитных помех (ЭМП) в связанном базисе m,
Figure 00000032
- vectors of strengths of magnetic fields PO (MPO) and electromagnetic interference (EMI) in the associated basis m,

А - матрица ориентации ПО,.A is the software orientation matrix.

S - матрица коэффициентов Пуассона,S - matrix of Poisson's ratios,

Е - единичная матрица (3×3),E - identity matrix (3×3),

В, D - прямоугольные матрицы (v × 3), характеризующие ориентацию осей

Figure 00000033
приборного базиса
Figure 00000034
относительно осей связанного базиса m,B, D - rectangular matrices (v × 3) characterizing the orientation of the axes
Figure 00000033
instrumental basis
Figure 00000034
with respect to the axes of the associated basis m,

Причем:And:

Figure 00000035
Figure 00000035

Figure 00000036
Figure 00000036

Путем использования неортогональных схем измерений в НБА и НБМ обеспечивают выполнение требований инструментального (аппаратного) расширения ППИ за счет условия функционально избыточной информации о векторах

Figure 00000037
By using non-orthogonal measurement schemes in the NBA and NBM, the requirements of the instrumental (hardware) extension of the PPI are met due to the condition of functionally redundant information about the vectors
Figure 00000037

Параметры векторов

Figure 00000038
и матриц S, В, D находят при выполнении операций технологических калибровок (поз. 1, Фиг. 2)Vector Options
Figure 00000038
and matrices S, B, D are found during process calibration operations (pos. 1, Fig. 2)

Из выражений (1) и (2) видно, что в показаниях НБМ и НБА содержится комплексная информация: геофизическая (ГФИ), приборная, технологическая, эксплуатационная, (в том числе и информация о матрице ориентации А ПО).It can be seen from expressions (1) and (2) that the NBM and NBA readings contain complex information: geophysical (GFI), instrumental, technological, operational, (including information about the orientation matrix A PO).

3. На основе результатов формирования многомерной ППИ

Figure 00000039
выполняют операцию декомпозиции векторов
Figure 00000040
(поз. 3 на Фиг. 2). При этом формируют совокупность 8 пар оценок трехкомпонентных векторов
Figure 00000041
приведенных к осям связанного базиса m = XYZ:3. Based on the results of the formation of a multidimensional PPI
Figure 00000039
perform the operation of vector decomposition
Figure 00000040
(pos. 3 in Fig. 2). At the same time, a set of 8 pairs of estimates of three-component vectors is formed
Figure 00000041
reduced to the axes of the associated basis m = XYZ:

Figure 00000042
Figure 00000042

где Ti; Tj; Tk - показания тройки выбранных магнитометров (i-ого, j-ого, k-ого), входящих в состав НБМ,where T i ; T j ; T k - readings of the three selected magnetometers (i-th, j-th, k-th), which are part of the NBM,

ni; nj; nk - показания тройки выбранных акселерометров (i-ого, j-ого, k-ого), входящих в состав НБА,n i ; n j ; n k - readings of the three selected accelerometers (i-th, j-th, k-th), which are part of the NBA,

Figure 00000043
- союзные матрицы (3×3), присоединенные к матрицам и Bμ и Dμ,
Figure 00000043
- union matrices (3×3) attached to the matrices and B μ and D μ ,

Figure 00000044
- обратные матрицы (33) для ц-ого варианта
Figure 00000045
Figure 00000044
- inverse matrices (33) for the i-th variant
Figure 00000045

detBμ; detDμ - детерминанты матриц и Bμ и Dμ

Figure 00000046
detB μ ; detD μ - determinants of matrices and B μ and D μ
Figure 00000046

Причем:And:

Figure 00000047
Figure 00000047

Алгоритмы (8)-(10) позволяют получить устойчивые, невырождаемые решения, если матрицы Bμ и Dμ

Figure 00000048
являются неособенными:Algorithms (8)-(10) make it possible to obtain stable, non-degenerate solutions if the matrices B μ and D μ
Figure 00000048
are non-singular:

Figure 00000049
Figure 00000049

Известно, что условия (11) выполняются, если строки или столбцы этих матриц линейно независимы, что практически реализовать достаточно просто, т.к. углы неортогональной установки ДПИ в блоках aτ; βτ; στ;

Figure 00000050
не повторяются.It is known that conditions (11) are satisfied if the rows or columns of these matrices are linearly independent, which is quite simple to implement in practice, since angles of non-orthogonal installation of DPI in blocks a τ ; β τ ; σ τ ;
Figure 00000050
are not repeated.

Для получения развернутых конечных алгоритмов обработки информации вместо формул (8)-(10) могут быть использованы соответствующие формулы Крамера.To obtain detailed finite information processing algorithms, instead of formulas (8)-(10), the corresponding Cramer formulas can be used.

С учетом результатов выполненных ранее операций технологической подготовки (поз. 1 на Фиг. 2) проводят операцию коррекции оценок векторов

Figure 00000051
в условиях функциональной избыточности информации:Taking into account the results of the previously performed operations of technological preparation (item 1 in Fig. 2), an operation is performed to correct the estimates of the vectors
Figure 00000051
in conditions of functional redundancy of information:

Figure 00000052
Figure 00000052

После коррекции векторы

Figure 00000053
оказываются свободными от влияния дестабилизирующих факторов со стороны МПО, ЭМП и технологических погрешностей монтажа модуля на ПО (М).After correction vectors
Figure 00000053
turn out to be free from the influence of destabilizing factors from the side of MPO, EMF and technological errors of mounting the module on software (M).

В блоке (поз. 3 на Фиг. 2) одновременно выполняют операцию идентификации отказов ДПИ и определение отказавшего векторного датчика. Эту операцию выполняют на основе сравнения и оценок компонент векторов

Figure 00000054
с использованием таблиц идентификации [6, с. 110].In the block (pos. 3 in Fig. 2), the operation of identifying failures of the DPI and determining the failed vector sensor are simultaneously performed. This operation is performed based on the comparison and estimates of the components of the vectors
Figure 00000054
using identification tables [6, p. 110].

Число 6 вариантов построения измерительно-вычислительных трехконтурных каналов (магнитометрических и акселерометрических) зависит от числа v векторных ДЛИ, входящих в состав неортогональных блоков НБМ, НБА:The number 6 options for constructing measuring and computing three-loop channels (magnetometric and accelerometric) depends on the number v of vector LLIs that are part of the non-orthogonal blocks NBM, NBA:

Figure 00000055
Figure 00000055

Для

Figure 00000056
значения числа 6 вариантов представлены в табл. 1.For
Figure 00000056
the values of the number of 6 options are presented in table. one.

Figure 00000057
Figure 00000057

С технологической, схемо-технической, экономической и эксплуатационной точек зрения наиболее целесообразным и эффективным является вариант v=5 (для которого δ=10), т.к. обычно реализуют на практике число каналов δ, не превышающее десяти (δ≤10).From the technological, circuit-technical, economic and operational points of view, the most appropriate and efficient option is v=5 (for which δ=10), because usually implement in practice the number of channels δ, not exceeding ten (δ≤10).

За счет получения функционально избыточной магнито-инерциальной информации с помощью 6 измерительно-вычислительных каналов

Figure 00000058
обеспечивают условия адаптации БСО к отказам, свойства ее отказоустойчивости и работоспособности системы ориентации МИНОР в резервно-аварийных режимах (РАР) на аппаратном (инструментальном) уровне. При v=5 (табл. 1) допускаются отказы до четырех ДПИ (2 магнитометра + 2 акселерометра).By obtaining functionally redundant magneto-inertial information using 6 measuring and computing channels
Figure 00000058
provide the conditions for adapting the BSO to failures, the properties of its fault tolerance and the operability of the MINOR attitude control system in standby emergency modes (RAR) at the hardware (instrumental) level. With v=5 (Table 1), failures of up to four DPIs (2 magnetometers + 2 accelerometers) are allowed.

После идентификации отказа программным путем отключают отказавшие ДПИ от потока информации в соответствующий u-ый измерительно-вычислительный канал

Figure 00000059
При этом одновременно программным путем производят в блоке (поз. 3 на Фиг. 2) операцию реконфигурации алгоритмов формирования измерительно-вычислительных каналов обработки комбинированной магнито-инерциальной информации.After the failure is identified, the failed DPI is programmatically disconnected from the information flow to the corresponding u-th measuring and computing channel
Figure 00000059
At the same time, the operation of reconfiguration of the algorithms for the formation of measuring and computing channels for processing the combined magnetic-inertial information is performed in the block (pos. 3 in Fig. 2) at the same time by software.

Работоспособность БСО после реконфигурации аппаратной измерительной части системы и соответствующих алгоритмов обработки информации сохраняется на прежнем уровне [5, 6].The operability of the BSO after the reconfiguration of the hardware measuring part of the system and the corresponding information processing algorithms remains at the same level [5, 6].

4. Выполняют основные операции обработки МИС-информации в блоке (поз. 4 на Фиг. 2) по алгоритмам МИНОР.4. Perform the basic operations of processing MIS information in the block (pos. 4 in Fig. 2) according to the MINOR algorithms.

С учетом технологической информации (ТИ) и навигационной информации (ϕ, λ, r), получаемых от блоков 1 и 6 (поз. 1 и 6 на Фиг. 2), вычисляют компоненты векторов

Figure 00000060
и
Figure 00000061
в географическом базисе q=NHE [11]:Taking into account the technological information (TI) and navigation information (ϕ, λ, r) obtained from blocks 1 and 6 (pos. 1 and 6 in Fig. 2), the components of the vectors are calculated
Figure 00000060
and
Figure 00000061
in the geographical basis q=NHE [11]:

Figure 00000062
Figure 00000062

Геомагнитный потенциал U:Geomagnetic potential U:

Figure 00000063
Figure 00000063

Модуль радиуса-вектора

Figure 00000064
относительно поверхности референц-эллипсоида с большой полуосью а равен:Radius-vector modulus
Figure 00000064
relative to the surface of the reference ellipsoid with the semi-major axis a is:

Figure 00000065
Figure 00000065

Компоненты вектора

Figure 00000066
находят на основе основного уравнения гравиметрии [12]:Vector components
Figure 00000066
are found on the basis of the basic equation of gravimetry [12]:

Figure 00000067
Figure 00000067

Приводят выражение (15) к скалярному виду:The expression (15) is reduced to a scalar form:

Figure 00000068
Причем:
Figure 00000068
And:

Figure 00000069
Figure 00000069

В формулах (14)-(20) приняты следующие обозначения:In formulas (14)-(20), the following designations are accepted:

gradU;

Figure 00000070
- градиент геомагнитного потенциала,gradU;
Figure 00000070
- geomagnetic potential gradient,

ϕ, λ; r, h - географические координаты точки наблюдения (широта ϕ, долгота λ, радиус r и высота h),ϕ, λ; r, h - geographical coordinates of the observation point (latitude ϕ, longitude λ, radius r and height h),

Figure 00000071
- векторы абсолютного, относительного и кориолисова ускорений в географическом базисе q,
Figure 00000071
- vectors of absolute, relative and Coriolis accelerations in geographical basis q,

Figure 00000072
- коэффициенты Гаусса-Шмидта, [11],
Figure 00000072
- Gauss-Schmidt coefficients, [11],

Figure 00000073
- присоединенный полином Лежандра степени n порядка m,
Figure 00000073
- associated Legendre polynomial of degree n of order m,

α - эксцентриситет фигуры Земли,α - eccentricity of the figure of the Earth,

q - отношение центростремительного ускорения на экваторе к ускорению свободно падающего тела на экваторе gв q is the ratio of the centripetal acceleration at the equator to the acceleration of a freely falling body at the equator g in

Figure 00000074
Figure 00000074

gв=9,7803267715 м/с2;g in \u003d 9.7803267715 m / s 2 ;

Ω=7,292116557 * 10-5 с-1,Ω=7.292116557 * 10 -5 s -1 ,

R - средний радиус Земли, R=6378211 м,R - average radius of the Earth, R=6378211 m,

rϕ; rλ - радиусы кривизны меридиана и параллели фигуры Земли в точке наблюдения,r ϕ ; r λ - radii of curvature of the meridian and the parallel of the figure of the Earth at the point of observation,

а=6378245 м;a=6378245 m;

b=6356863 м;b=6356863 m;

Figure 00000075
Figure 00000075

h = r - Rh = r - R

Figure 00000076
- северная, вертикальная, восточная составляющие скорости движения ПО относительно Земли и соответствующие производные по времени.
Figure 00000076
- northern, vertical, eastern components of the speed of motion relative to the Earth and the corresponding time derivatives.

Численные значения скорости

Figure 00000077
и производных получают на основе обработки навигационной информации от СНС (ϕ, λ, r).Numerical values of speed
Figure 00000077
and derivatives are obtained based on the processing of navigation information from the SNS (ϕ, λ, r).

На основе информации о векторах

Figure 00000078
геофизическая информация (ГФИ) может быть расширена за счет вычисления на основе способа восстановления векторной информации [13] компонент вектора
Figure 00000079
в связанном базисе m=XYZ.Based on vector information
Figure 00000078
geophysical information (GPI) can be extended by calculating, based on the vector information recovery method [13], the vector components
Figure 00000079
in the associated basis m=XYZ.

Дальнейшее расширение векторной информации может быть достигнуто путем вычисления дополнительных векторов в связанным m=XYZ и географическом q=NHE базисах [4]:Further expansion of vector information can be achieved by calculating additional vectors in the related m=XYZ and geographic q=NHE bases [4]:

Figure 00000080
Figure 00000080

На основе вычисленных основных

Figure 00000081
и дополнительных
Figure 00000082
векторов составляют матричное уравнение АПО в условиях функциональной избыточности информации [4]:Based on the calculated basic
Figure 00000081
and additional
Figure 00000082
vectors make up the APO matrix equation under conditions of functional redundancy of information [4]:

Figure 00000083
Figure 00000083

Или в компактной форме:Or in compact form:

Figure 00000084
Figure 00000084

На основе принципа декомпозиции разбивают матричное уравнение (26) на частные матричные уравнения идентификации с квадратными матрицами вида:Based on the principle of decomposition, the matrix equation (26) is divided into particular matrix identification equations with square matrices of the form:

Figure 00000085
Figure 00000085

где Pk - приборная матрица (3×3) для k-ого варианта,where P k - instrument matrix (3×3) for the k-th option,

Nk - матрица идентификации (3×3) для k-ого вариантаN k - identification matrix (3×3) for the k-th option

Причем матрицы Pk и Nk (3×3) формируют на основе набора любых трех строк матрицы Р (6×3) и соответствующих столбцов матрицы N (3×6).Moreover, the matrices P k and N k (3×3) are formed on the basis of a set of any three rows of the matrix P (6×3) and the corresponding columns of the matrix N (3×6).

Figure 00000086
Figure 00000086

Максимально возможное число (kmax) вариантов построения матричных уравнений идентификации (28) составляет:The maximum possible number (k max ) of options for constructing matrix identification equations (28) is:

Figure 00000087
Figure 00000087

При δ=10 (для v=5, табл.1) получаем:With δ=10 (for v=5, Table 1) we get:

Figure 00000088
Figure 00000088

Для практических целей достаточно использовать не более 10 вариантов построения уравнений идентификаций

Figure 00000089
For practical purposes, it is sufficient to use no more than 10 options for constructing identification equations
Figure 00000089

Алгоритмы АПО получают путем обращения матричных уравнений идентификации (28) [4]:APO algorithms are obtained by inverting matrix identification equations (28) [4]:

Figure 00000090
Figure 00000090

где: Pk - матрица приборной информации, (3×3),where: P k - instrument information matrix, (3×3),

Figure 00000091
- оценка матрицы ориентации ПО, (3×3),
Figure 00000091
- evaluation of the software orientation matrix, (3×3),

Figure 00000092
- союзная матрица (3×3),
Figure 00000092
- allied matrix (3×3),

detNk - детерминат матрицы Nk (3×3).detN k - determinate of matrix N k (3×3).

Матрицу ориентации ПО А определяют с помощью направляющих косинусов aij

Figure 00000093
углов между ортами связанного m
Figure 00000094
и географического q
Figure 00000095
базисов:The orientation matrix of software A is determined using the direction cosines a ij
Figure 00000093
angles between the unit vectors of the associated m
Figure 00000094
and geographical q
Figure 00000095
bases:

Figure 00000096
Figure 00000096

Проверяют условие невырожденности матрицы идентификации Nk:The condition of non-degeneracy of the identification matrix N k is checked:

Figure 00000097
Figure 00000097

Например, для варианта матрицы идентификации:For example, for the identification matrix option:

Figure 00000098
Figure 00000098

условие (34) конкретизируем:condition (34) we specify:

Figure 00000099
Figure 00000099

Используют операцию вычисления средней оценки матрицы ориентации ПО

Figure 00000100
Use the operation of calculating the average score of the software orientation matrix
Figure 00000100

Figure 00000101
Figure 00000101

Вычисляют оценки эйлеровых углов по формулам [4]:Estimates of Euler angles are calculated using the formulas [4]:

Figure 00000102
Figure 00000102

Знаки оценок эйлеровых углов

Figure 00000103
определяют с помощью табл. 2-4.Euler angle estimates
Figure 00000103
determined using the table. 2-4.

Алгоритмы вычисления оценок эйлеровых углов

Figure 00000103
могут быть получены на основе использования формул Крамера [4].Algorithms for calculating estimates of Euler angles
Figure 00000103
can be obtained based on the use of Cramer's formulas [4].

Figure 00000104
Figure 00000104

Figure 00000105
Figure 00000105

Figure 00000106
Figure 00000106

5. Выполняют контрольные и нормирующие операции по комплексным алгоритмам самотестирования и комбинированной автономной диагностики (КАСКАД) (поз. 5 на Фиг. 2):5. Control and normalizing operations are performed using complex algorithms for self-testing and combined autonomous diagnostics (CASKAD) (pos. 5 in Fig. 2):

Figure 00000107
Figure 00000107

Аналогичным образом выполняют контрольные операции над дополнительными векторами (23)-(25).Similarly perform control operations on additional vectors (23)-(25).

Проверку правильности вычисления оценок параметров ориентации ПО выполняют по следующим алгоритмам [4]:The verification of the correctness of the calculation of estimates of the orientation parameters of the SW is performed according to the following algorithms [4]:

Figure 00000108
Figure 00000108

Figure 00000109
Figure 00000109

По итогам проверок выполняют операции коррекции и нормировки промежуточных и конечных результатов вычислений (Фиг. 2).Based on the results of the checks, operations are performed to correct and normalize the intermediate and final results of calculations (Fig. 2).

Практическая реализация предлагаемого способа бесплатформенной ориентации ПО в околоземном пространстве может быть выполнена на основе использования импортной или отечественной элементной базы (табл. 5, 6).The practical implementation of the proposed method of strapdown software orientation in the near-Earth space can be performed based on the use of imported or domestic element base (Tables 5, 6).

Численный анализ показывает, что для выполнения вычислений оценок эйлеровых углов

Figure 00000110
с допустимыми погрешностями, не превышающими 1II, необходимо обеспечитьNumerical analysis shows that in order to perform calculations of Euler angle estimates
Figure 00000110
with permissible errors not exceeding 1 II , it is necessary to ensure

- измерения компонент вектора

Figure 00000111
с помощью НБМ с точностью до 2 знака после запятой
Figure 00000112
- vector component measurements
Figure 00000111
using NBM with an accuracy of 2 decimal places
Figure 00000112

- измерения компонент вектора

Figure 00000113
с помощью НБА с точностью до 4…5 знака после запятой (Δnдоп=5 ⋅ 10-5g);- vector component measurements
Figure 00000113
using NBA with an accuracy of 4 ... 5 decimal places (Δn add =5 ⋅ 10 -5 g);

- вычисления эйлеровых углов и их тригонометрических функций до 6…7 знака после запятой.- calculation of Euler angles and their trigonometric functions up to 6...7 decimal places.

Такие требования к точности измерений и вычислений обеспечивают при длине разрядной сетки в вычислителе в 24 бит. Указанные в табл. 6 вычислители позволяют оперировать с числами с длиной разрядной сетки 32 бит.Such requirements for the accuracy of measurements and calculations are provided when the length of the bit grid in the calculator is 24 bits. Specified in table. 6 calculators allow you to operate with numbers with a bit grid length of 32 bits.

Частота обновления информации БСО, реализующей способ МИНОР, определяется маневренными свойствами ПО и допустимыми погрешностями вычисления углов.The frequency of updating information of the BSO that implements the MINOR method is determined by the maneuverability of the software and the permissible errors in the calculation of angles.

Например, по самому динамичному каналу ориентации ПО (каналу крена у) для шаговой частоты обновления информации имеем:For example, for the most dynamic software orientation channel (roll channel y), for the step frequency of information update, we have:

Figure 00000114
Figure 00000114

Циклическая частота обновления информации в навигационном канале СНС составляет vц=1…5 Гц. Следовательно, выполняется необходимое условие согласования частот обновления информации в каналах ориентации (vm) и навигации (vц):The cyclic update rate of information in the navigation channel SNS is v c =1...5 Hz. Therefore, the necessary condition for matching the information update rates in the orientation (v m ) and navigation (v c ) channels is met:

Figure 00000115
Figure 00000115

Для маломаневренных ПО шаговая частота vm может быть снижена до величины vm =100 Гц.For low-maneuverable software, the step frequency v m can be reduced to v m =100 Hz.

Figure 00000116
Figure 00000116

Figure 00000117
Figure 00000117

Тактовую частоту vT выполнения вычислительных операций обеспечивают исходя из условия:The clock frequency v T for performing computational operations is provided based on the condition:

Figure 00000118
Figure 00000118

Для вычислителей, указанных в табл. 6, тактовая частота

Figure 00000119
МГц.For calculators listed in Table. 6, clock frequency
Figure 00000119
MHz.

Конструктивное исполнение БСО на основе реализации способа МИНОР может быть выполнено в виде моноблока, поблочной схемы или комбинированной схемы. Режимы работы БСО МИНОР:The design of the BSO based on the implementation of the MINOR method can be made in the form of a monoblock, a block diagram, or a combined diagram. BSO MINOR operating modes:

- режим технологической подготовки,- technological preparation mode,

- штатный режим,- regular mode,

- режим самоконтроля и автономной самодиагностики,- self-monitoring and autonomous self-diagnosis mode,

- резервно-аварийные режимы (режимы адаптации к отказам).- backup emergency modes (modes of adaptation to failures).

Благодаря реализации такого набора режимов работы БСО обеспечивают условия как для повышения показателей точности и надежности системы, так и для придания ей нового свойства - живучести в эксплуатации.Thanks to the implementation of such a set of operating modes, the BSO provide conditions both for improving the accuracy and reliability of the system, and for giving it a new property - survivability in operation.

Источники информацииSources of information

1. Ориентация и навигация подвижных объектов. Современные информационные технологии / Под общ. ред. Б.С. Алешина, К.К. Веремешко, А.И. Черноморского. - М.: Физматлит, 2006. - 424 с.1. Orientation and navigation of moving objects. Modern information technologies / Ed. ed. B.S. Aleshina, K.K. Veremeshko, A.I. Chernomorsky. - M.: Fizmatlit, 2006. - 424 p.

2. Матвеев В.В., Распопов В.Я. Основы построения бесплатформенных инерциальных навигационных систем. - СПб.: ГНЦ РФ ОАО «Концерн ЦНИИ «Электроприбор», 2009. - 280 с.2. Matveev V.V., Raspopov V.Ya. Fundamentals of construction of strapdown inertial navigation systems. - St. Petersburg: State Scientific Center of the Russian Federation JSC Concern TsNII Elektropribor, 2009. - 280 p.

3. Белянин Л.Н. Скважинная гироскопическая система ориентации трехкомпонентного сейсмического зонда / Гироскопия и навигация, №1, 2003, - с. 19-30.3. Belyanin L.N. Downhole gyroscopic orientation system for a three-component seismic probe / Gyroscopy and navigation, No. 1, 2003, - p. 19-30.

4. Патент RU №2653967 С1 МПК G01 21/00. Способ автономной ориентации подвижных объектов / авторы: Проскуряков Г.М. и др: патентообладатель -ФГБОУ ВО Сарат. госуд. техн. ун-т им. Гагарина Ю.А., от 20.06.2017, опубл. 15.05.2018, Бюлл.№14.4. Patent RU No. 2653967 C1 IPC G01 21/00. A method for autonomous orientation of moving objects / authors: Proskuryakov G.M. and others: the patent holder is FGBOU VO Sarat. state tech. un-t im. Gagarina Yu.A., dated 06/20/2017, publ. 05/15/2018, Bull. No. 14.

5. Епифанов А.Д. Надежность систем управления: Справочная библиотека инженера-конструктора.- М.: Машиностроение, 1975. - 180 с.5. Epifanov A.D. Reliability of control systems: Reference library of a design engineer. - M.: Mashinostroenie, 1975. - 180 p.

6. Епифанов А.Д. Избыточные системы управления летательными аппаратами. - М.: Машиностроение, 1978. - 144 с.6. Epifanov A.D. Redundant aircraft control systems. - M.: Mashinostroenie, 1978. - 144 p.

7. Блок измерителей линейных ускорений с прецизионными кварцевыми акселерометрами в качестве чувствительных элементов / IX Санкт-Петербургская МНК по интегрированным навигационным системам.- СПб.: ГНЦ РФ ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2002. - с. 216-220.7. Block of linear acceleration meters with precision quartz accelerometers as sensitive elements / IX St. Petersburg MNC for integrated navigation systems. - St. Petersburg: State Scientific Center of the Russian Federation OJSC Concern Central Research Institute Elektropribor, 2002. - p. 216-220.

8. Калихман Д.М., Калихман Л.Я., Полушкин А.В. и др. Измеритель вектора кажущегося линейного ускорения - прибор БИЛУ КХ69-042 для системы управления спускаемого аппарата корабля «Союз-ТМА» // XIII Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам. - СПб.: Изд-во ЦНИИ «Электроприбор», 2006 - с. 253-263.8. Kalikhman D.M., Kalikhman L.Ya., Polushkin A.V. et al. Apparent linear acceleration vector meter - BILU KX69-042 device for the Soyuz-TMA descent vehicle control system // XIII St. Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems. - St. Petersburg: Publishing House of the Central Research Institute "Elektropribor", 2006 - p. 253-263.

9. Корюкин М.С. Построение алгоритмов функционирования интегрированной с СНС безгироскопной системы ориентации летательного аппарата / Материалы VII конференции молодых ученых «Навигация и управление движением». - СПб.: ГНЦ РФ ЦНИИ «Электроприбор», 2006. - С. 282-287.9. Koryukin M.S. Construction of algorithms for the operation of a non-gyroscope-free aircraft orientation system integrated with SNS / Proceedings of the VII Conference of Young Scientists "Navigation and Motion Control". - St. Petersburg: State Scientific Center of the Russian Federation Central Research Institute "Elektropribor", 2006. - S. 282-287.

10. Игнатьев А.А., Проскуряков Г.М. Гетеромагнитометрия: алгоритмы, методики, калибровки блоков магнитометров. - Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2014. - 152 с.10. Ignatiev A.A., Proskuryakov G.M. Heteromagnetometry: algorithms, techniques, calibration of magnetometer blocks. - Saratov: Sarat Publishing House. un-ta, 2014. - 152 p.

11. International Geomagnetic Reference Field IGRF WMM-20, URL: http//www.ngdc.noaa.gov.com (дата обращения: 20.01.22).11. International Geomagnetic Reference Field IGRF WMM-20, URL: http//www.ngdc.noaa.gov.com (Accessed 20.01.22).

12. Руководство по Всемирной геодезической системе - 1984 (WGS-84).-Международная организация гражданской авиации IKAO, изд. 2ое, 2002, DOC9674.12. Manual of the World Geodetic System - 1984 (WGS-84). - International Civil Aviation Organization IKAO, ed. 2nd, 2002, DOC9674.

13. Патент RU №2757828.С1 МПК: G05D 1/00, G05B 23/00; G06F 11/00. Способ восстановления векторной информации в измерительно-информационных системах / авторы: Проскуряков Г.М. и др, патентообладатель: ФГБОУ ВО Сарат.госуд. техн. ун-т им. Гагарина Ю.А., от 15.12.2020, опубл. 21.10.2021, Бюлл. №30.13. Patent RU No. 2757828.С1 IPC: G05D 1/00, G05B 23/00; G06F 11/00. A method for restoring vector information in measuring and information systems / authors: Proskuryakov G.M. and others, patentee: FGBOU VO Sarat.gosud. tech. un-t im. Gagarina Yu.A., dated December 15, 2020, publ. 10/21/2021, Bull. No. 30.

Claims (1)

Способ бесплатформенной ориентации подвижных объектов, основанный на формировании первичной приборной информации о векторе кажущегося ускорения п объекта по сигналам предварительно откалиброванного неортогонального блока акселерометров, векторе напряженности результирующего магнитного поля
Figure 00000120
по сигналам предварительно откалиброванного неортогонального блока магнитометров, радиусе-векторе
Figure 00000121
точки местоположения объекта по сигналам спутниковой навигационной системы, а также на последующей обработке этой комплексной магнито-инерциально-спутниковой информации с целью определения параметров ориентации объекта, отличающийся тем, что сначала формируют расширенную двухвекторную многомерную информацию
Figure 00000122
на основе показаний предварительно откалиброванных неортогональных блоков v акселерометров (v≥4) и v магнитометров (v≥4) в неортогональных многоосных приборных базисах р=Xk
Figure 00000123
затем производят операцию декомпозиции полученной многомерной двухвекторной первичной приборной информации
Figure 00000124
путем формирования δ совокупностей
Figure 00000125
оценок трехкоординатных векторов
Figure 00000126
Figure 00000127
полученных на основе выборки показаний троек акселерометров и троек магнитометров, с последующим приведением их к осям связанного базиса m=XYZ, далее с учетом результатов предварительно выполненных операций технологических калибровок корректируют сформированные совокупности оценок векторов
Figure 00000128
и вычисляют δ пар скорректированных векторов
Figure 00000129
в связанном базисе m=XYZ, затем на основе использования навигационной информации от спутниковой навигационной системы вычисляют векторы
Figure 00000130
и их векторное произведение в географическом базисе q=NHE и, наконец, по вычисленным скорректированным и приведенным к базисам m и q векторам определяют оценки матриц ориентации объекта и оценки эйлеровых углов в условиях функционально избыточной информации, а также выполняют автономный контроль, самодиагностику, коррекцию и нормировку полученных результатов.
Method for strapdown orientation of moving objects, based on the formation of primary instrumental information about the apparent acceleration vector n of the object according to the signals of a pre-calibrated non-orthogonal block of accelerometers, the vector of the resulting magnetic field
Figure 00000120
according to the signals of a pre-calibrated non-orthogonal block of magnetometers, radius-vector
Figure 00000121
object location points according to the signals of the satellite navigation system, as well as on the subsequent processing of this complex magnetic-inertial-satellite information in order to determine the object's orientation parameters, characterized in that, first, extended two-vector multidimensional information is formed
Figure 00000122
based on the readings of pre-calibrated non-orthogonal blocks of v accelerometers (v≥4) and v magnetometers (v≥4) in non-orthogonal multi-axis instrument bases р=X k
Figure 00000123
then perform the operation of decomposition of the obtained multidimensional two-vector primary instrumental information
Figure 00000124
by forming δ populations
Figure 00000125
estimates of three-coordinate vectors
Figure 00000126
Figure 00000127
obtained on the basis of a sample of readings of accelerometer triples and magnetometer triples, with their subsequent reduction to the axes of the associated basis m=XYZ, then, taking into account the results of previously performed operations of technological calibrations, the generated sets of vector estimates are corrected
Figure 00000128
and compute δ pairs of adjusted vectors
Figure 00000129
in the associated basis m=XYZ, then, based on the use of navigation information from the satellite navigation system, vectors are calculated
Figure 00000130
and their vector product in the geographical basis q=NHE and, finally, using the calculated vectors corrected and reduced to the bases m and q, determine the estimates of the object orientation matrices and estimates of the Euler angles under conditions of functionally redundant information, and also perform autonomous control, self-diagnostics, correction and normalization of the obtained results.
RU2022116057A 2022-06-14 Method for platform-free orientation of moving objects RU2784859C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2784859C1 true RU2784859C1 (en) 2022-11-30

Family

ID=

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2386107C1 (en) * 2008-12-19 2010-04-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственный центр автоматики и приборостроения имени академика Н.А. Пилюгина" (ФГУ "НПЦ АП") Independent method of determining initial orientation of instrument coordinate system of gimballess inertial unit of controlled object relative base coordinate system
EP3087348B1 (en) * 2013-12-27 2019-03-13 Intel Corporation Apparatus, system and method of estimating an orientation of a mobile device
CN105928519B (en) * 2016-04-19 2019-03-29 成都翼比特自动化设备有限公司 Navigation algorithm based on INS inertial navigation and GPS navigation and magnetometer
RU2754396C1 (en) * 2020-06-19 2021-09-01 Акционерное общество Московский научно-производственный комплекс "Авионика" имени О.В. Успенского (АО МНПК "Авионика") Adaptive method for correcting orientation angles of strapdown ins
RU2767648C1 (en) * 2020-11-23 2022-03-18 Акционерное общество "Научно-исследовательский институт электромеханики" (АО "НИИЭМ") Method of controlling movement of spacecraft with controlled orientation

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2386107C1 (en) * 2008-12-19 2010-04-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственный центр автоматики и приборостроения имени академика Н.А. Пилюгина" (ФГУ "НПЦ АП") Independent method of determining initial orientation of instrument coordinate system of gimballess inertial unit of controlled object relative base coordinate system
EP3087348B1 (en) * 2013-12-27 2019-03-13 Intel Corporation Apparatus, system and method of estimating an orientation of a mobile device
CN105928519B (en) * 2016-04-19 2019-03-29 成都翼比特自动化设备有限公司 Navigation algorithm based on INS inertial navigation and GPS navigation and magnetometer
RU2754396C1 (en) * 2020-06-19 2021-09-01 Акционерное общество Московский научно-производственный комплекс "Авионика" имени О.В. Успенского (АО МНПК "Авионика") Adaptive method for correcting orientation angles of strapdown ins
RU2767648C1 (en) * 2020-11-23 2022-03-18 Акционерное общество "Научно-исследовательский институт электромеханики" (АО "НИИЭМ") Method of controlling movement of spacecraft with controlled orientation

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109556632B (en) INS/GNSS/polarization/geomagnetic integrated navigation alignment method based on Kalman filtering
CN110095800B (en) Multi-source fusion self-adaptive fault-tolerant federal filtering integrated navigation method
Groves Navigation using inertial sensors [Tutorial]
Jekeli A review of gravity gradiometer survey system data analyses
CN106767787A (en) A kind of close coupling GNSS/INS combined navigation devices
CN106949889A (en) For the inexpensive MEMS/GPS integrated navigation systems and method of pedestrian navigation
CN110849360B (en) Distributed relative navigation method for multi-machine collaborative formation flight
CN105371844A (en) Initialization method for inertial navigation system based on inertial / celestial navigation interdependence
CN110426032A (en) A kind of fault-tolerant navigation estimation method of the aircraft of analytic expression redundancy
Liang et al. A solution to the attitude problem using two rotation units of micromechanical gyroscopes
Al-Jlailaty et al. Efficient attitude estimators: A tutorial and survey
CN112525188B (en) Combined navigation method based on federal filtering
Emel’yantsev et al. Calibration of a precision SINS IMU and construction of IMU-bound orthogonal frame
Gnadt et al. Signal enhancement for magnetic navigation challenge problem
RU2784859C1 (en) Method for platform-free orientation of moving objects
CN112683265B (en) MIMU/GPS integrated navigation method based on rapid ISS collective filtering
Binder Construction of a geographically oriented horizon trihedron in gyroscopic orientation systems intended to aid navigation dead reckoning part 1. Gyroscopic orientation with a correctable pendulum. Implementation in a free gyroscope
Zhao et al. A Study on Alignment of analytic Space Stable Inertial Navigation System
Nikolaev et al. Strapdown inertial navigation system calibration
RU2806707C1 (en) Method of strapdown inertial navigation
Gleason Gravity vector estimation from integrated GPS/strapdown IMU data
RU2800846C1 (en) Method of autonomous inertial orientation of moving objects
Bo et al. Accurate integrated navigation method based on medium precision strapdown inertial navigation system
Ebrahim et al. Initial alignment of strap-down inertial navigation system on stationary base for high-speed flying vehicle
RU2787971C1 (en) Method for autonomous orientation of objects in near-earth space