SE464431B - Saett och anordning foer att bestaemma laeget foer en kropp - Google Patents

Description

464 431 10 15 20 25 30 35 2 icke “Schuleravstämt" vertikalreferensgyroskop för kvar- hållning av vertikalreferensen tils den yttre accelera- tionen borttages och accelerationsmätarna kan äter- uppta sin gravitationssökningsfunktion. Denna teknik är behäftad med fel om tröskelaccelerationerna ligger inom accelerationsmätarens bryttröskel. Eftersom vertikal- referensgyroskopet ej är "Schuleravstämt" och följaktli- gen ej tar hänsyn till vinkelförflyttningen runt jordens centrum är denna teknik begränsad till korta manöverpe- rioder, som blandas med perioder med jämn flygning för att tillåta àterupprättande av korrekt vertikalreferens om tillräcklig noggrannhet skall kvarhållas. Dessutom måste vertikalreferensgyroskopet monteras i universal- leder, som utsättas för universalledslåsning, som med- för stjälpning av gyroskopet och medför en driftsbe- gränsning.

Ett ändamål med uppfinningen är att åstadkomma en anordning av ovan nämnt slag, vilken kännetecknas av ett organ för avkänning av hastighetens storlek och riktning relativt kroppens geometriska axlar; organ för avkänning av kroppens rotation; ett accelerationskännarorgan för av- känning av den totala accelerationen, som verkar pà krop- pen; ett organ för behandling av data som mottages från hastighets- och rotationskännarorganen för bestämning av tröghetskomponenten av den totala accelerationen; och ett organ för jämförelse av den avkända, totala accelerationen med tröghetskomponenten för att därigenom bestämma orien- teringen för gravitationskomponenten med avseende pá krop- pen och följaktligen ett uppskattat läge för kroppen.

Ett annat ändamål med uppfinningen är att åstadkomma ett sätt för bestämning av läget pà en kropp, som verkar i ett gravitationsfält, vilket sätt kännetecknas av att has- tighetens storlek och riktning relativt kroppens geomet- riska axlar avkännes; att kroppens rotation avkännes; att kroppens totala acceleration avkännes; att hastighets- och rotationsdata behandlas för bestämning av den totala accelerationens tröghetskomponent; och att den avkända, 10 15 20 25 30 35 464 451 3 totala accelerationen jämföres med tröghetskomponenten för att därigenom bestämma orienteringen för gravitations- komponenten med avseende på kroppen och följaktligen ett uonskattat läge för kroppen.

Kroppen kan ha organ för integrering av data, som mottages från rotationskännarorganet, för bestämning av ett annat uppskattat läge för kroppen, och övervak- ningsorgan för jämförelse av det uppskattade läget, som framtagits genom integreringen, med det uppskattade läge, som framtagits genom bestämning av gravitations- komponenten. Den genom integreringen framställda upp- skattningen och den genom härledning av gravitations- komponenten alstrade uppskattningen kan var och en vik- tas i beroende av sin tillförlitlighet och kombineras för åstadkommande av en bästa uppskattning.

Ett organ kan vara anordnat att övervaka andraderi- vatan av de data, som mottages från ett eller flera av hastighets-, rotations- eller accelerationskännar- organen, varvid övervakningsorganet är anordnat att undertrycka den uppskattning, som alstras genom här- ledning av gravitationskomponenten, om andraderivaten överskrider ett förutbestämt värde.

För att åstadkomma självövervakning kan organ för anordnade att jämföra den uppskattade storleken på den totala gravitationsaccelerationen med standardvärdet.

Kroppen kan ha ett lågfrekvensfilterorgan för ut- jämning av kortvariga fluktationer av data från hastig- hetskännarorganet och ett organ för fördröjning av data från riktnings-, rotations- och accelerationskännaror- ganen på sådant sätt, att filtrerade och fördröjda data från var och en av källorna synkroniseras. I detta fall har kroppen företrädesvis organ för integrering av data från rotationskännarorganet och för addering av denna till den fördröjda uppskattningen av läget, som härletts utifrån gravitationskomponenten, varvid den fördröjda 464 431 10 15 20 25 30 35 4 uppskattningen av läget uppdateras.

Uppfinningen kommer att beskrivas närmare nedan med hjälp av ett utföringsexempel under hänvisning till medföljande ritning, som visar ett blockschema för ett navigationssystem för ett flygplan.

I figuren och efterföljande beskrivning används följande symboler: V - hastighet relativt en icke-accelerande re- ferensram. Û - acceleration på grund av hastighetsändring. a - infallsvinkel refererad till flygplanets tyngdpunkt. - infallsändringshastighet. girvinkel refererad till flygplanets tyngs- punkt. _ girändringshastighet. x,y,z - flygplanskroppens axlar, vilka är centrerade till flygplanets tyngdpunkt, varvid x-axeln sträcker sig framåt längs flygplanskroppens horisontella referensplan och varvid den positiva z-axelriktningen är vänd nedåt. rotationer runt x, y, z-axlarna efter anpass- ning till högerhandsregeln. _ tröghetsaccelerationerna längs x,y,z-axlarna. xm,ym,zm uppmätt acceleration längs x,y,z-axlarna refererade till flygplanets tyngdpunkt. 9 - stigningsvinkeln. ø - sidlutningsvinkeln. g - tyngdaccelerationen.

Figuren visar ett flygplan, som är försett med en pitotsond 10 för mätning av det statiska trycket, en lufttemperatursond ll och för detektering av luftström- riktningen avsedda sonder 12 och 13 för bestämning av lokal gir- respektive infallsvinkel för flygplanet, varvid alla sonderna är monterade på konventionellt sätt vid eller nära flygplanets noskon. Accelerations- mätare/hastighetsgyropaket 14, 15 resp 16 är monterade på konventionellt sätt pá flygplanet på avstånd fràn 10 l5 20 25 30 35 464 451 1 5 dettas tyngdpunkt 17 och linjerade med x-, y- resp z-ax- larna. Varje paket innefattar en accelerationsmätare för mätning av accelerationen längs motsvarande axel och ett hastighetsgyro för mätning av rotationen runt denna axel.

Vid användning kombineras data från pitotsonden l0 och lufttemperatursonden ll för bestämning av flyg- planets verkliga lufthastighet V, vilket sker på kon- ventionellt sätt. Data avseende den lokala girnings- vinkeln och den lokala infallsvinkeln, vilka bestämts medelst sonderna 12 och 13, kombineras med data avse- ende flygplanets rotation i förhållande till sin tyngd- punkt, som bestämts medelst accelerationsmätare/hastig- hetsgyropaketen 14, 15 och 16 för bestämning av värden på infallsvinkeln (d) och girningsvinkeln (ß) refere- rade till flygplanets tyngdpunkt. Efter beräkning av dessa värden V, d och ß utjämnas dessa och deriveras för àstadkommanden av värden Ü, å och Ö.

Rotationerna runt och accelerationerna längs x-, y- och z-axlarna, vilka rotationsvärden mätes medelst accelerationsmätare/hastighetsgyropaketen 14, 15 och 16, korrigeras under hänsynstagande till avstånden mel- lan respektive paket och flygplanets tyngdpunkt. Rota- tionsvärdena utjämnas därefter för åstadkommande av värden på p, q och r.

Den totala tröghetsaccelerationen, som verkar på flygplanets tyngdpunkt, kan uppfattas såsom bildad i tvâ delar. I den ena delen bestäms komponenterna av accelerationen, som bildas genom ändring av hastighets- vektorstorleken och riktningsändringar relativt x-, y- och z-axlarna, av värdena för V, Ü, a, å, ß och Ö med hjälp av följande formler.

Accelerationer på grund av ändring av hastighetsvektor- storleken- och riktningen relativt axlarna: Accelerationskomponenten längs X-axeln 464 431 10 15 20 25 30 35 6 vx = 2(V-Vß2(tanaSec a.a+tanßSec2ß.ß)) Äccelerationskomponenten längs Y-axeln Vy = 2(Ûtanß-V22Sec2a(tanåtanß.Q-Seczß.ß)) Accelerationskomponenten längs Z-axeln Vz = 2(Ütana-V22Sec2ß(tanatanÉ.ß-Secz I de tre ekvationerna ovan är 2 hastighetsvektorns rikt- ningcosinus relativt X-axeln. Genom en beräkning kan man visa att: 2 = (l+tan2u+tan2ß) där 2 är positiv, då hastighetsvektorn ligger i kroppens främre halvklot, och negativ, då hastigheten ligger i kroppens bakre halvklot.

Till den ovan nämnda accelerationsdelen adderas den andra delen, som är sammansatt av centripetalacce- 2 01.60) -1/2 lerationerna, som införes genom rotation runt axlarna x, V och z.

Accelerationer på grund av kroppsrotationer X-axeln centripetalacceleration V2(qtana-rtanß) Y-axeln centripetalacceleration V2(r-ptana) Z-axel V2(ptanß-q) När de tvâ delarna bestämts längs varje axel kan centripetalacceleration de adderas för åstadkommande av värden på de totala tröghetsaccelerationerna längs varje axel x, y, z, xi, vi resp zi.

" R (Û+V(qtana-rtanß-22(tana.Sec2å.a+tanß.Sec2ß.É))) X.= 1 vä = 1 (Ûtana+v(r-ptana-22Sec2a(tana.tanß.å-Seczß,É))) É. = 2 (Ütanß+V(ptanß-q-22Sec2ß(tana.tanß.É-Sec2a.å))) 1 V, a och ß finns ej tillgängliga som kännarbasdata utan måste bestämmas genom derivering av V, a och B, varef- ter värden för äi, vi och Ei kan erhållas ur de mer fundamentala formlerna äi = V2(qtana-rtanß)+ Élåål šíi = vur-ptana) + ------d(våètanß) Ei = V2(ptanß_q) d(Vßëana) 10 15 20 25 30 35 464 431 ' 7 De medelst paketen 14, 15 och 16 uppmätta acceleratio- nerna längs axlarna x, y och z jämnas för erhållanden av värden på äm, ym och Em.

Efter bestämning av de totala tröghetsacceleratio- nerna och de uppmätta accelerationerna längs axlarna x, y och z kan stignings- och sidlutningsvinklarna be- räknas med hjälp av följande formler: Stigningsvinkel 6 = arcsin ((ïm-äi)/g) Sidlutningsvinkel 6 = arctan ((ym-Vi)/(äm-äi)) Sidvinkelkvadraturen erhålles enligt följande: lim 1 I t + + å - z - + - + m 1 ø o° - 9o° 9o° - 1oo° o° - -9o° -9o° - -1aö° För att reducera känsligheten mot fel i den uppskat- tade tröghetsaccelerationen vid stora stigningsvinklar sättes a H l HXm-Xïvg >v2- 9 =arccos (vm-yi)2+(äm-ëi)2/g Jämfört med tradionella gravitationsreferensläges- system (som utmärker "Schuleravstämda" tröghetsnaviga- tionssystem) ger ovan beskrivna teknik följande förde- lar: 1. Den kräver ej perioder med lugn flygning för äter- upprättande av den vertikala referensen och är där- för lämplig vid ihållande flygmanöverperioder.

Den är för undvikande av universalledslàsning eller gvroskärpning ej lägesbegränsad. ögonblicksfelet är beroende av det momentana kännar- felet ocb ej av den omedelbart föregående fasen av den pågående manövern. Därför kommer-vilka som helst fel, som orsakas under manövern, snabbt att minska omedelbart efter denna manöver.

De flesta av kännarna kan även tjäna andra flygre- ferensfunktioner och kan monteras i befintligt skick. 464 431 10 15 20 25 30 35 8 Detta ger en vikt- och kostnadsbesparande fördel.

Tekniken ovan utnyttjar den momentana utsignalen från kroppshastighetsgyroskopen, som används för flyg- kontroll. Dessa gyroskop har i sig förmåga att åstad- komma lägesinformation genom transformering av sina hastighetsutsignaler till lägesaxlarna och genom in- tegrering. Detta sätt användes vid "låst“ tröghetsnavi- gering men vid användning av gyroskop med en feldriv- hastighet av 0,0l°/tim jämfört med normalt 50/tim, som krävs vid flygkontroll.

På grund av den väsentligt lägre noggrannheten hos flygkontrollhastighetsgyroskopen kan de användas i detta tillstånd vid korta integreringstider för att utsträcka denna utföringsform enligt uppfinningen till att inne- fatta följande funktioner: A (l) självövervakning (2) möjlighet att övervinna kortvariga fel i vissa kännare (3) möjlighet till återgångsoperation vid bortfall av vissa kännare (4) enklare teknik.

Självövervakning Även vid jämförelsevis stor hastighetsdrivning av lo/sek är det fel, som tillkommer genom integrering under en beräkningsrepititionscykel av en femtiondels sekund eller även en tiondelssekund, helt acceptabelt.

Den lägesändring, som bestämmes genom integrering av gyrohastigheten, kan därför jämföras med lägesändringen, som bestämmes genom ovan beskrivna teknik, under korta tidsintervaller för åstadkommande av en självövervak- ning.

Det har visat sig att uppskattningar av stignings- och sidlutningsvinkeln med hjälp av ovan beskriven tek- nik ger goda långvariga resultat men att vid vissa ex- trema tillstånd, t ex vid våldsamma manövrar, kännarfel (t ex mätning av den verkliga lufthastigheten V) kan bli ganska stora, varigenom noggrannheten hos den kort- variga uppskattningen minskas.

Omvänt är uppskattningarna av stignings- och sidlut- f? 10 15 20 25 30 35 464 431' 9 ningsvinkeln härrörande från integrering av kroppshastig- hetsgyrot i allmänhet bra under kort tid men noggrann- heten under lång tid minskar på grund av gyrots drift.

Vid en modifiering av självövervakningstekniken kan en "Kalmanfiltringsteknik" användas för att ge till- förlitlighetsvärden för uppskattningar från var och en av dessa källor och därigenom härleda en bästa upp- skattning.

Korrektion för kortvariga kännarfel Eftersom hastighetsgyroskopen kan ge beroende läges- ökningar under korta perioder kan de användas som er- sättning för den beskrivna utföringsformen om den är felaktig under korta perioder på grund av ett fel i en kännare. Detta kommer att bero på förmågan att de- tektera tillstånd, där kännarens prestationsförmâga kan vara för låg för upprättande av den sista genomför- bara lägesbasen, utifrån vilken ersättningskällan kan extrapoleras.

Exempelvis har det visat sig att luftdata för verk- lig lufthastighet har en alltför lång svarsfördröjning eller är alltför känsliga för vindstötar etc, varför det borde vara möjligt att detektera störtillståndet genom övervakning av lufthastighetens andra derivata.

Förutsatt att lufthastighetsaccelerationen ej ändras mer än föreskriven takt kan den beskrivna utföringsfor- men användas. Vid överskridande av den föreskrivna tak- ten kan lägesvinkeln ökas medelst gyrodata endast.

Då en "Kalmanfiltreringsteknik" användes och luft- hastighetens andra derivata låg över ett föreskrivet värde kan uppskattningen från ovan beskrivna metod ig- noreras under störningens varaktighet.

Vid en alternativ teknik utjämnas kortvariga avbrott i den uppmätta, verkliga lufthastigheten genom använd- ning av ett lågfrekvensfilter. Såsom nämnts ovan orsa- kar detta en svarsfördröjning, vilket sätter tidluft- hastighetsdata ur fas med andra data från kännarna i flygplanet. Detta kan undanröjas om man säkerställer att de andra datavärdena fördröjes lika mycket. Det 464 431 10 15 20 25 30 35 10 torde inses att detta resulterar i en uppskattning, som är inaktuell, exempelvis under en tredjedels sekund.

För att avhjälpa detta kan uppskattningen uppdateras genom integrering av de data, som mottages från kropps- hastighetsgyrona under fördröjningsperioden för åstad- kommande av en uppdaterad uppskattning. Återgångstillstånd Kroppshastighetsgyroskopen är kanske de mest väsent- liga kännarna i ett flygkontrollsystem och om dessa fungerar kan flygplanet flygas "hem" med de andra kän- narna ur funktion, t ex luftdatakännare. Om accelera- tionsmätarna fortfarande är i funktion är det möjligt att bestämma läge, låt vara med sämre noggrannhet, utan luftdatainformation.

I grunden separerar tekniken ovan tröghetsaccele- rationen från tyngd- eller gravitationsaccelerationen.

Om flygplanet flyger jämnt existerar ingen tröghets- acceleration och utföringsformen ovan åstadkommer kor- rekt läge med hjälp av endast accelerationsmätningarna.

Tillståndet utan tröghetsacceleration kan identifieras genom övervakning, då ingen ändring av uppmätt accele- ration föreligger och då nollrotationshastighet från gyroskopen föreligger. I praktiken befinner sig flyg- planet aldrig i ett tillstånd utan tröghetsaccelera- tion eftersom luftturbulens etc föreligger och komplet- terande utjämning kan behövas som hjälp vid detektering av tillstånd med nolltröghetsacceleration.

Vid återgångstillstånd erhålles en serie lägesbe- stämningar, som bestäms av nolltröghetsaccelerations- tillståndet, med lägesinterpolering genom integrering av gyrokroppshastigheterna.

Enklare lägesteknik Det står helt klart att det ovan skisserade sättet för återgång kan användas som sådant som lägessystem.

I ett hänseende kan luftdatakännare bytas ut mot mera exakta gvroskop. I grunden beror detta på hur ofta en lägesfixering med nolltröghetsacceleration kan erhållas.

En viktig faktor är att även med perfekta gyroskop 10 15 464 451' ll kan fel införas på grund av jordens krökning. Naturligt- vis ger gyroskopen en rymdlägesreferens, medan horison- talplanet under flygning vid mach 0,9 rakt öster ut vrids 250/tim vid UK-latituder. Således kommer 6 min efter en lägesbestämning perfekta gyroskop att ett fel av 2,50. Uppenbarligen förhindrar ofta mande lägesbestämningar alltför stora fel från källa.

Som en ytterligare självövervakning kan de värden, som åstadkommits för tyngdaccelerationen längs x, y och z-axlarna (ih-ïi), §m-§i) och (im-Ei) adderas vek- toriellt och jämföras med det kända värdet på g för åstadkommande av en självövervakning.

Som en ytterligare modifiering kan uppskattningarna av stignings- och sidlutningsvinklarna kombineras med utgångarna från en 3-axlig magnetometer för bestämning uppvisa förekom- denna av flygplanets riktning.

Claims (8)

464 431 12 PATENTKRAV

1. l. Sätt att bestämma läget för en kropp, som verkar i ett gravitationsfält, k ä n n e t e c k n a t av att hastighetens storlek och riktning relativt kroppens geometriska axlar avkännes; att kroppens rotation av- 5 kännes; att kroppens totala acceleration avkännes; att hastighets- och rotationsdata behandlas för bestämning av den totala accelerationens tröghetskomponent; och att den avkända, totala accelerationen jämföres med tröghetskomponenten för att därigenom bestämma orien- l0 teringen för gravitationskomponenten med avseende på kroppen och följaktligen ett uppskattat läge för kroppen.

2. Anordning för bestämning av läget för en kropp, som verkar i ett gravitationsfält, k ä n n e t e c k - n a d av ett organ (10, ll, 12, 13) för avkänning av 15 hastighetens storlek och riktning relativt kroppens geometriska axlar (x, y, 2); organ (14, 15, 16) för avkänning av kroppens rotation; ett accelerationskännar- organ (14, 15, 16) för avkänning av den totala accelera- tionen, som verkar pà kroppen; ett organ för behandling 20 av data som mottages från hastighets- och rotationskän- narorganen (10-16) för bestämning av tröghetskomponenten av den totala accelerationen; och ett organ för jämförelse av den avkända, totala acceleraltionen med tröghets- komponeten för att därigenom bestämma orienteringen 25 för gravitationskomponenten med avseende på kroppen och följaktligen ett uppskattat läge för kroppen.

3. Anordning enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a d av ett organ för integrering av från rotationskännarorga- net mottagna data för bestämning av ett uppskattat läge 30 för kroppen; och ett övervakningsorgan för jämförelse av det genom integreringen uppskattade läget med det läge, som framtages genom bestämning av gravitationskompo- Ilenten . f: 10 15 20 25 30 464 431 13

4. Anordning enligt krav 3, k ä n n e t e c k n a d av medel som viktar var och en av de genom integreringen och bestämningen av gravitationskomponenten framtagna upp- skattningarna med avseende på deras tillförlitlighet och kombinerar dessa uppskattningar för åstadkommande av en bästa uppskattning.

5. Anordning enligt krav 3, därav, att övervakningsorganet är anordnat att övervaka k ä n n e t e c k n a d andraderivatan hos det datavärde, som mottages från en eller flera av hastighets-, rotations- eller accelera- tionskännarorganen; och att övervakningsorganet verkar för undertryckning av den uppskattning, som alstras genom bestämning av gravitationskomponenten, om andra- derivatan överskrider ett förutbestämt värde.

6. Anordning enligt något av kraven 2-5, k ä n n e - t e c k n a d storleken på den totala gravitationsaccelerationen med av organ för jämförelse av den uppskattade standardvärdet och därigenom för tjänstgörande som en övervakningsanordning.

7. Anordning enligt något av kraven 2-6, k ä n n e - t e c k n a d anordnat att jämna kortvariga fluktuationer hos data av ett lågfrekvensfilterorgan, som är från hastighetskännarorganet; och ett fördröjningsorgan för fördröjning av data från riktnings-, rotations- och accelerationskännarorganen på sådant sätt, att filtre- rade och fördröjda data från var och en av källorna synkroniseras.

8. Anordning enligt krav 7, k ä n n e t e c k n a d av ett integreringsorgan för integrering av data från rotationskännarorganet och för addering av detta till den fördröjda uppskattningen av läget, vilket bestäms med hjälp av gravitationskomponenten, för uppdatering av den fördröjda uppskattningen av läget.