RU87518U1 - Интегрированная система ориентации и навигации на основе бескарданного электростатического гироскопа и микромеханических датчиков - Google Patents
Интегрированная система ориентации и навигации на основе бескарданного электростатического гироскопа и микромеханических датчиков Download PDFInfo
- Publication number
- RU87518U1 RU87518U1 RU2009111305/22U RU2009111305U RU87518U1 RU 87518 U1 RU87518 U1 RU 87518U1 RU 2009111305/22 U RU2009111305/22 U RU 2009111305/22U RU 2009111305 U RU2009111305 U RU 2009111305U RU 87518 U1 RU87518 U1 RU 87518U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- micromechanical
- data processing
- processing unit
- output
- gyroscope
- Prior art date
Links
Landscapes
- Navigation (AREA)
Abstract
Интегрированная система ориентации и навигации на основе бескарданного электростатического гироскопа и микромеханических датчиков содержит три микромеханических гироскопа, расположенные в пространстве по осям ортогонального трехгранника, три микромеханических акселерометра, ориентированные в пространстве компланарно осям микромеханических гироскопов, блок обработки данных, отличающаяся тем, что дополнительно введены бескарданный электростатический гироскоп, и блок формирования разностных измерений, причем выход электростатического гироскопа подключен к первому входу блока формирования разностных измерений, второй вход которого подключен к первому выходу блока обработки данных по параметрам ориентации объекта, а третий вход подключен ко второму выходу блока обработки данных по координатам местоположения объекта, выход блока формирования разностных измерений подключен к третьему входу блока обработки данных.
Description
Изобретение относится к морскому навигационному приборостроению и может быть использовано в системах управления подводными аппаратами.
Одной из проблем на пути создания малогабаритной интегрированной системы ориентации и навигации для морских подвижных объектов на базе бескарданного инерциального измерительного модуля, содержащего измерительный блок низкого уровня точности (например, на микромеханических гироскопах, нестабильность дрейфов которых составляет 30-300 град./ч.), и приемной аппаратуры спутниковых навигационных систем, является проблема обеспечения требований по точности выработки курса.
Известна интегрированная система ориентации и навигации на базе гирогоризонткомпаса «Мининавигация-К» (разработка ЦНИИ «Электроприбор», Санкт-Петеребург), которая содержит бесплатформенный инерциальный измерительный модуль на волоконнооптических гироскопах и микромеханических акселерометрах, бортовой вычислитель, устройство автокомпенсационного вращения модуля и мультиантенную приемную аппаратуру спутниковой навигационной системы. Недостатком данного устройства является высокое энергопотребление из-за устройства автокомпенсационного вращения всего модуля и достаточно большие массогабаритные характеристики для прибора данного класса.
Наиболее близкой по технической сущности к заявленному изобретению является интегрированная система ориентации и навигации Seapath 200 норвежской фирмы Seatex AS [Product Manuals - Seapath 200. Precise Heading, Attitude and Position. Seatex AS, Trondheim, Norway, 1998-05-04] для морских судов, принятая в качестве прототипа, которая содержит бескарданный гирогоризонткомпас, состоящий из блока микромеханических гироскопов, акселерометров и навигационного вычислителя, и мультиантенную приемную аппаратуру спутниковой навигационной системы. От блока микромеханических гироскопов и акселерометров в навигационный вычислитель поступают данные о параметрах ориентации и о кажущемся ускорении, а от спутниковой навигационной системы - информация о курсе, скорости и позиционные данные, далее после совместной обработки данных методом обобщенного фильтра Калмана вырабатываются оценки погрешностей по параметрам ориентации и навигационным параметрам, которые подаются в обратную связь для корректировки вырабатываемых данных.
Недостатком данного устройства является низкая точность выработки навигационных данных по курсу при работе объекта в автономном режиме, без привлечения внешних данных со спутниковой навигационной системы, вызванная низким уровнем точности микромеханических гироскопов.
Задачей заявляемого изобретения является повышения точности выработки навигационных данных по курсу при работе объекта в автономном режиме, без привлечения внешних данных со спутниковой навигационной системы.
Технический результат, достигаемый при осуществлении предполагаемого изобретения, выражается в существенном повышении времени нахождения управляемого объекта вне зоны действия спутниковых навигационных систем с выполнением требований по точности (согласно резолюции IMO А.424 (XI) от 15.11.79 г. и А.821 (ХIХ) от 23.11.95 г. для гирокомпасов.).
Указанный технический результат достигается тем, что в интегрированную систему ориентации и навигации на основе бескарданного электростатического гироскопа и микромеханических датчиков содержащую три микромеханических гироскопа, расположенные в пространстве по осям ортогонального трехгранника, три микромеханических акселерометра, ориентированные в пространстве компланарно осям микромеханических гироскопов, и блок обработки данных, дополнительно введены бескарданный электростатический гироскоп и блок формирования разностных измерений, причем выход электростатического гироскопа подключен к первому входу блока формирования разностных измерений, второй вход которого подключен к первому выходу блока обработки данных по параметрам ориентации объекта, а третий вход подключен ко второму выходу блока обработки данных по координатам места объекта, выход блока формирования разностных измерений подключен к третьему входу блока обработки данных.
На фиг.1 представлена блок-схема интегрированной системы ориентации и навигации на основе бескарданного электростатического гироскопа и микромеханических датчиков, на которой изображены: приемная аппаратура спутниковой навигационной системы ПА СНС, блок микромеханических гироскопов ММГ, блок микромеханических акселерометров ММА, бескарданный электростатический гироскоп БЭСГ, блок обработки данных ОД, блок формирования разностных измерений ФРИ и отмечены номера входов и выходов подключений ключевых модулей.
Интегрированная система ориентации и навигации на основе бескарданного электростатического гироскопа и микромеханических датчиков работает следующим образом. От блока микромеханических гироскопов и акселерометров в блок обработки данных поступают данные о параметрах ориентации и о кажущемся ускорении. Также в блок обработки данных поступает информация с блока формирования разностных измерений, куда поступают данные от бескарданного электростатического гироскопа о положении вектора кинетического момента в инерциальном пространстве. После совместной обработки данных методом обобщенного фильтра Калмана в блоке обработки данных вырабатываются оценки погрешностей по параметрам ориентации и навигационным параметрам, которые подаются в обратную связь для корректировки вырабатываемых данных. Данные от спутниковой навигационной системы используются только для начальной выставки и калибровки.
Интегрированная система ориентации и навигации может быть реализована на базе гирогоризонткомпаса, в качестве ММГ могут быть использованы чувствительные элементы фирмы Analog Devices ADXRS150 [Preliminary Technical Data, Analog Devices, 9/30/02), а в качестве ММА - ADXL202E (Preliminary Technical Data, Analog Devices, Inc., 2000], в качестве БЭСГ может быть использован прецизионный электростатический гироскоп производства ЦНИИ «Электроприбор» (В.З.Гусинский. Бескарданный электростатический гироскоп в системах ориентации космических аппаратов. Proceeding of the Second International Symposium on Inertial Technology. Beijing, October 1998, P.104-114), блок ФРИ и блок ОД могут быть реализованы на основе микроконтроллера SAK-C167 фирмы Siemens и 10-разрядного АЦП [Б.Блажнов, Л.Несенюк, В.Пешехонов, Л.Старосельцев, Миниатюрные интегрированные системы ориентации и навигации. Наука, Технология, Бизнес 5/2001], в качестве ПА СНС могут быть использованы ПА ГЛОНАСС/GPS МРК-11 [Интегрированные инерциально-спутниковые системы навигации, Сборник докладов и статей, Под общей редакцией академика РАН В.Г.Пешехонова, Составитель: д.т.н. О.А.Степанов, СПб.: ГНЦ РФ-ЦНИИ "Электроприбор", 2001. - 235 с.]
Для анализа точности предлагаемой схемы построения интегрированной системы ориентации и навигации в выработке параметров ориентации объекта была разработана в пакете Matlab (Simulink) имитационная модель функционирования интегрированной системы ориентации и навигации, включающая:
- имитационную модель движения группировки шести навигационных спутников по орбитам, близким к круговым, которая содержит формирование параметров поступательного движения центра масс в геоцентрической гринвичской системе координат ПЗ-90 (эфемеридной информации для каждого спутника) с учетом принятой модели гравитационного поля Земли;
- имитационную модель движения объекта, которая содержит задание параметров как поступательного движения его центра масс (ускорения, линейные скорости, географические и декартовые координаты в гринвичской системе координат ПЗ-90), так и вращательного относительно центра масс;
- формирование выходных данных измерительного блока на базе текущих истинных значений векторов угловой скорости и кажущегося ускорения точки размещения измерительного блока на объекте (восстановленных из модели движения объекта) с использованием массивов реализации выходных данных гироскопов и акселерометров, полученных при их стендовых испытаниях;
- дискретные рекуррентные алгоритмы основных функциональных задач измерительного блока;
- задачу фильтрации по совместной обработке с использованием алгоритмов обобщенного фильтра Калмана данных измерительного блока и приемной аппаратуры спутниковой навигационной системы.
- алгоритмы контроля погрешностей ИСОН в выработке кинематических параметров движения объекта, включающие запись их текущих значений в file.mat и построение графиков погрешностей.
Моделирование осуществлялось при следующих исходных данных:
- характеристики Земли и гравитационного поля R=6378163 - средний экваториальный радиус Земли, (м.); Ue=7.2921151467·10-5 - угловая скорость суточного вращения Земли, (рад/с);
µg=3.98603·1014 - гравитационная постоянная Земли, (м3/с2);
ε=2.634·1025 (м5/с2) и χ=6.773·1036 (м7/с2) - коэффициенты разложения гравитационного потенциала [12];
Погрешности микромеханических гироскопов в проекциях на оси (i=xb, yb, zb) измерительного блока:
- ΔMgi - нестабильность масштабных коэффициентов - случайные величины с уровнем (1σ=0.006…0.01);
- Δϖi - систематические составляющие дрейфов, которые характеризуют смещение нулей от пуска к пуску - случайные величины с уровнем (1σ=100 град./ч.);
- Δωi - случайные составляющие дрейфов, которые характеризуют дрейф нуля в пуске - марковские процессы первого порядка σ1gi=30 град./ч., µgi=1/600 (с-1);
- флюктуационные составляющие дрейфов - дискретные белые шумы на рабочей частоте σ2gi=300 о/ч;
Погрешности микромеханических акселерометров в проекциях на оси (i=xb, yb, zb) измерительного блока:
- ΔMai - нестабильность масштабных коэффициентов линейных акселерометров - случайные величины с уровнем (1σ=0.01);
-Δ
i - смещение нулей линейных акселерометров - случайные величины с уровнем (1σ=0.1 м/с2);
- Δai - дрейфы нулей линейных акселерометров - марковские процессы первого порядка σ1ai=0.03 м/с2, µai=0.01 (с-1);
- флюктуационные составляющие погрешностей акселерометров в проекциях на оси ИБ - дискретные белые шумы на рабочей частоте σ2ai=0.4 м/с2.
Приемная аппаратура спутниковой навигационной системы:
- δDo=1000 м;
- δ
o=300 м/с;
- k2o=0.01 м/с2;
- длина базы
- неоднозначность фазовых измерений в целое число длин волн
η1=7; η2=6; η3=4; η4=3; η5=8; η6=5;
- погрешности Δb1j ort=Δb1j/, где Δb1j=0.01 м;
- шумы измерений первичных навигационных параметров
νδD=10 м;
νδ
=0.1 м/с;
- шумы фазовых измерений (1σ)
νzi=0.01 (м);
Измерительный блок
- погрешности начальной выставки (t=0):
- по параметрам ориентации
ΔK0=5° (по курсу); ΔΨ0=Δθ0=1° (по углам качки);
- по составляющим вектора линейной скорости - 0.1 м/с;
- по координатам - 30 м.:
Рабочие частоты при моделировании
dt=0.01 с - дискретность моделирования движения объекта по траектории;
dT=0.01 с - дискретность работы алгоритмов;
Результаты моделирования погрешностей решения задачи ориентации объекта в предлагаемой схеме построения показаны в виде графиков на фиг.2. Из анализа графиков интегрированной системы ориентации и навигации следует, что данная система способна вырабатывать параметры ориентации с точностью, удовлетворяющей требованиям IMO (International Maritime Organization) в отличие от прототипа, погрешность выработки параметров ориентации которого в автономном режиме соизмерима с погрешностями микромеханического гироскопа (30-100 град/час).
Таким образом, введение БЭСГ и блока ФРИ позволяет повысить точность выработки курса и тем самым увеличить время работы объекта в автономном режиме, без привлечения внешних данных со спутниковой навигационной системы.
Claims (1)
- Интегрированная система ориентации и навигации на основе бескарданного электростатического гироскопа и микромеханических датчиков содержит три микромеханических гироскопа, расположенные в пространстве по осям ортогонального трехгранника, три микромеханических акселерометра, ориентированные в пространстве компланарно осям микромеханических гироскопов, блок обработки данных, отличающаяся тем, что дополнительно введены бескарданный электростатический гироскоп, и блок формирования разностных измерений, причем выход электростатического гироскопа подключен к первому входу блока формирования разностных измерений, второй вход которого подключен к первому выходу блока обработки данных по параметрам ориентации объекта, а третий вход подключен ко второму выходу блока обработки данных по координатам местоположения объекта, выход блока формирования разностных измерений подключен к третьему входу блока обработки данных.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2009111305/22U RU87518U1 (ru) | 2009-03-19 | 2009-03-19 | Интегрированная система ориентации и навигации на основе бескарданного электростатического гироскопа и микромеханических датчиков |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2009111305/22U RU87518U1 (ru) | 2009-03-19 | 2009-03-19 | Интегрированная система ориентации и навигации на основе бескарданного электростатического гироскопа и микромеханических датчиков |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU87518U1 true RU87518U1 (ru) | 2009-10-10 |
Family
ID=41261304
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2009111305/22U RU87518U1 (ru) | 2009-03-19 | 2009-03-19 | Интегрированная система ориентации и навигации на основе бескарданного электростатического гироскопа и микромеханических датчиков |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU87518U1 (ru) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2456546C1 (ru) * | 2010-12-16 | 2012-07-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тульский государственный университет" (ТулГУ) | Бесплатформенная система ориентации |
RU2514649C2 (ru) * | 2012-07-10 | 2014-04-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Московское опытно-конструкторское бюро "Марс" (ФГУП МОКБ "Марс") | Способ ориентации космического аппарата и устройство для его реализации |
RU2514650C2 (ru) * | 2012-07-10 | 2014-04-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Московское опытно-конструкторское бюро "Марс" (ФГУП МОКБ "Марс") | Способ ориентации космического аппарата и устройство для его реализации |
-
2009
- 2009-03-19 RU RU2009111305/22U patent/RU87518U1/ru not_active IP Right Cessation
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2456546C1 (ru) * | 2010-12-16 | 2012-07-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тульский государственный университет" (ТулГУ) | Бесплатформенная система ориентации |
RU2514649C2 (ru) * | 2012-07-10 | 2014-04-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Московское опытно-конструкторское бюро "Марс" (ФГУП МОКБ "Марс") | Способ ориентации космического аппарата и устройство для его реализации |
RU2514650C2 (ru) * | 2012-07-10 | 2014-04-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Московское опытно-конструкторское бюро "Марс" (ФГУП МОКБ "Марс") | Способ ориентации космического аппарата и устройство для его реализации |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN108548542B (zh) | 一种基于大气阻力加速度测量的近地轨道确定方法 | |
RU2375680C1 (ru) | Интегрированная инерциально-спутниковая система ориентации и навигации для объектов, движущихся по баллистической траектории с вращением вокруг продольной оси | |
US9395187B2 (en) | Portable device for determining azimuth | |
Sushchenko et al. | Dynamic analysis of nonorthogonal redundant inertial measuring units based on MEMS-sensors | |
Vydhyanathan et al. | The next generation Xsens motion trackers for industrial applications | |
Sun et al. | Accuracy improvement of SINS based on IMU rotational motion | |
Nusbaum et al. | Control theoretic approach to gyro-free inertial navigation systems | |
Kumar | Integration of inertial navigation system and global positioning system using kalman filtering | |
RU87518U1 (ru) | Интегрированная система ориентации и навигации на основе бескарданного электростатического гироскопа и микромеханических датчиков | |
Reddy et al. | Advanced navigation system for aircraft applications | |
RU2462690C1 (ru) | Интегрированная инерциально-спутниковая система ориентации и навигации | |
Bose et al. | Modern inertial sensors and systems | |
Walchko | Low cost inertial navigation: Learning to integrate noise and find your way | |
Greenheck et al. | Design and testing of a low-cost MEMS IMU cluster for smallsat applications | |
Gaber et al. | Real-time implementation of a robust simplified intelligent proportional–integral control for CubeSat attitude determination system | |
Kuang et al. | GPS-based attitude determination of gyrostat satellite by quaternion estimation algorithms | |
Sushchenko | Modeling dynamically tuned gyroscopes | |
Fontanella et al. | Exploiting low-cost compact sensor configurations performance by redundancy | |
RU2561003C1 (ru) | Интегрированная система ориентации и навигации для объектов с быстрым вращением вокруг продольной оси | |
Martin | Overcoming the challenges of low-cost inertial navigation | |
Avrutov et al. | The method for autonomous determination of longitude and latitude of a moving object | |
Liang et al. | A novel calibration method between two marine rotational inertial navigation systems based on state constraint Kalman filter | |
Wei et al. | Design of navigation system for the inspection robot in unattended operation substation | |
Awad et al. | A Multiplicative Extended Kalman Filter for Low Earth Orbit Attitude Estimation Aboard a 0.5 U SmallSat | |
Wang et al. | A new rotary scheme of the dual-axis rotary inertial navigation system |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM1K | Utility model has become invalid (non-payment of fees) |
Effective date: 20100320 |