СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ ПОДВИЖНЫХ ОБЪЕКТОВ Российский патент 1998 года по МПК G01P3/50 

Изобретение относится к области измерения параметров движения и может быть использовано для автономного определения полного вектора линейной скорости самолетов, ракет, космических аппаратов и других подвижных объектов, движущихся в магнитном поле Земли, или другого небесного тела.

Известен способ определения скорости подвижных объектов, основанный на непрерывном измерении и интегрировании компонент ускорения [1].

Этот способ обладает погрешностью, связанной с накоплением ошибки измерения ускорения.

Известен способ определения скорости подвижных объектов, основанный на эффекте Доплера. При реализации способа с подвижного объекта по направлению к земле посылают радиосигнал и принимают сигнал, рассеиваемый землей в обратном направлении, который смешивается с излучаемым сигналом. Из результирующего разностного сигнала доплеровского сдвига выделяют доплеровский спектр. Этот спектр подают на устройство слежения за частотой, выделяющее средние частоты доплеровского спектра, по которым затем определяют составляющие скорости полета [2].

К недостаткам данного способа относится подверженность влиянию радиопомех, имеющих частоту, равную частоте отраженного сигнала. При движении объекта над водой возникает погрешность, обусловленная морскими течениями и движением поверхности воды под действием ветра.

Кроме того, при таком способе объект является источником радиоизлучения.

Известен способ определения скорости подвижных объектов, в частности летательного аппарата. Способ заключается в измерении полного воздушного давления на выходе приемников, полного давления в основном и резервном пневмотрактах и статического давления окружающей среды и определении скорости летательного аппарата по значениям этих давлений в информационном канале [3].

При данном способе присутствует погрешность, обусловленная движением воздушных масс (ветром). Этот способ непригоден для измерения скорости подвижного объекта, находящегося за пределами атмосферы.

Известен способ определения скорости подвижных объектов, включающий определение составляющей вектора индукции магнитного поля Земли в месте движения объекта, измерение разности потенциалов между концами расположенного на объекте изолированного линейного проводника, а также вычисление составляющей вектора скорости объекта относительно магнитного поля. Согласно данному способу на подвижном объекте располагают линейный изолированный измерительный проводник длиной l в горизонтальном направлении, перпендикулярном движению объекта [4]. При наличии составляющей вектора индукции магнитного поля Земли (м.п.З.) и составляющей вектора скорости объекта относительно м.п.З., перпендикулярных к проводнику, на электроны в проводнике действует сила , где e - заряд электрона. Под действием этой силы электроны в проводнике смещаются относительно положительных ионов к одному из концов проводника, вследствие чего внутри проводника возникает электрическое поле величиной -, а на концах проводника появляется разность потенциалов

где l - вектор, направление которого совпадает с направлением проводника, а модуль равен длине проводника. В данном способе м.п.З. в месте движения объекта считается приближенно известным, например, на основе выполненных заранее измерений или расчетов. По данным о м.п.З. и величине разности потенциалов, измеренной в проводнике, на основании (1) оценивают горизонтальную составляющую скорости полета. Например, пусть в прямоугольной системе координат O_xyz вертикальная составляющая вектора равна B_z, измерительный проводник ориентирован вдоль оси O_y и имеет длину l_y, а измеренная на его концах разность потенциалов равна U_y, тогда согласно (1) горизонтальная скорость полета v_x = -U_y/B_zl_y.

Недостатком данного способа является то, что он не обеспечивает высокую точность измерений и не позволяет определить полный вектор скорости объекта. Наличие горизонтальной составляющей вектора в направлении движения объекта и вертикальной составляющей вектора приводит к появлению в измерительном проводнике дополнительной неконтролируемой разности потенциалов, что приводит к ошибке определения горизонтальной составляющей вектора , а составляющая вектора , направленная вдоль вектора , согласно (1) вообще не вызывает появления разности потенциалов в измерительном проводнике. Кроме того, в связи с тем, что не проводятся измерения величины магнитного поля в месте нахождения объекта, появляется дополнительная погрешность, обусловленная неточностью определения величины локального магнитного поля. В случае объектов, движущихся в пределах атмосферы, атмосферные электрические поля вызывают появление в измерительном проводнике разности потенциалов, не связанной с движением объекта, что создает помеху измерениям.

Технический результат изобретения - повышение точности определения вектора скорости подвижных объектов.

Указанный результат достигается тем, что в способе определения скорости подвижных объектов, включающем определение составляющей вектора индукции магнитного поля Земли в месте движения объекта, измерение разности потенциалов между концами расположенного на объекте изолированного линейного измерительного проводника, вычисление составляющей вектора скорости объекта относительно магнитного поля, на объекте проводят измерения трех составляющих вектора индукции магнитного поля Земли в прямоугольной системе координат O_xyz, связанной с подвижным объектом, а измерения разностей потенциалов проводят между концами трех измерительных проводников, при этом каждый из них направлен вдоль одной из осей O_x, O_y, O_z, после чего вычисляют компоненты вектора скорости объекта в связанной системе координат согласно выражениям

где v_x, v_y, v_z - компоненты вектора скорости объекта в связанной системе координат;
B_x, B_y, B_z - компоненты вектора индукции магнитного поля Земли в связанной системе координат;
l_x, l_y, l_z - длины измерительных проводников, ориентированных соответственно вдоль осей O_x, O_y, O_z, связанной системы координат;
U_x, U_y, U_z - разности потенциалов между концами измерительных проводников, ориентированных соответственно вдоль осей О_x, О_y, О_z связанной системы координат,
затем определяют величины углов рыскания, крена и тангажа осей связанной системы координат относительно инерциальной системы координат O_o X_o Y_o Z_o и по полученным значениям углов и величинам v_x, v_y, v_z вычисляют компоненты v_xo, v_yo, v_zo вектора скорости объекта в инерциальной системе координат.

При этом измерения разности потенциалов целесообразнее проводить между концами трех измерительных проводников, помещенных внутрь замкнутой электропроводной оболочки, проницаемой для магнитного поля. В качестве материала для замкнутой электропроводной оболочки (электростатического экрана), проницаемого для магнитного поля, может быть взят либо чистый металл, магнитная проницаемость которого с высокой степенью точности близка к 1, например алюминий (μ = 1,000023), олово (μ = 1,0000022), медь (μ = 0,9999897), либо сплав в определенной пропорции диамагнитного (μ < 1) и парамагнитного (μ > 1) металлов.

На фиг. 1 показана схема расположения и ориентировка измерительных проводников и осей чувствительности компонент магнитометра; на фиг. 2 - блок-схема измерительного комплекса для определения компонент вектора скорости объекта.

На фиг. 1 и 2: 1, 2, 3 - измерительные проводники; 4 - замкнутая электропроводная оболочка; 5 - трехкомпонентный магнитометр; 6, 7, 8 - измерители разности потенциалов; 9 - датчик угла рыскания; 10 - датчик угла крена; 11 - датчик угла тангажа; 12- бортовой вычислитель; l_x, l_y, l_z - длины измерительных проводников; K_x, K_y, K_z - оси чувствительности компонент магнитометра; B_x, B_y, B_z - измеренные значения компонент вектора индукции магнитного поля на выходах магнитометра; ϕ_p, ϕ_к, ϕ_т - измеренные значения углов на выходах соответственно датчиков углов рыскания, крена и тангажа; U_x, U_y, U_z - измеренные значения разности потенциалов на выходах измерителей разности потенциалов.

Способ основан на эффекте возникновения разности потенциалов в проводнике, движущемся параллельно самому себе и перпендикулярно магнитному полю. При таком движении проводника на находящиеся в нем электроны действует сила . Под действием этой силы электроны смещаются относительно положительных ионов кристаллической решетки, за счет чего в проводнике возникает электрическое поле и кулоновские силы начинают препятствовать разделению зарядов. Разделение зарядов в проводнике прекращается, когда наступает равенство сил

где - вектор возникающего в проводнике электрического поля.

Разложим силы в левой и правой части равенства (2) на составляющие вдоль осей прямоугольной системы координат O_xyz, связанной с подвижным объектом. Тогда для прямолинейного проводника 1 длиной l_y, направленного вдоль оси O_y (фиг.1), можно записать
v_xB_zl + v_zB_xl = -E_yl (3).

Поскольку при этом разность потенциалов U_y между концами проводника U_y = -E_yl_y, то из (3) получаем уравнение
U_y = v_xB_zl_y + v_zB_xl_y (4).

Аналогично для прямолинейных проводников 2 и 3, направленных вдоль осей O_x и O_z и имеющих длину соответственно l_x и l_z, получаем еще два уравнения
U_x = v_yB_zl_x + v_zB_yl_x (5)
U_z = v_xB_yl_z + v_yB_xl_z (6)
Решая систему из трех уравнений (4), (5), (6), получаем выражения для компонент вектора скорости объекта в связанной системе координат O_xyz

Выражения (7), (8), (9) получены для покоящейся системы отсчета.

Если выбрать систему отсчета внутри замкнутой электропроводной оболочки 4, движущейся вместе с объектом, то в этой системе отсчета при движении объекта относительно магнитного поля будет наблюдаться электрическое поле, величина которого для объектов, движущихся со скоростью много меньше скорости света с точностью до пренебрежимо малых релятивистских поправок будет равно . Выражения (7), (8), (9) будут определены и в системе отсчета, расположенной внутри электропроводной оболочки 4.

Способ осуществляется следующим образом.

С помощью трехкомпонентного магнитометра 5 ведут непрерывно измерения составляющих B_x, B_y, B_z вектора индукции м.п.З. в связанной с подвижным объектом прямоугольной системе координат O_xyz. При этом в качестве трехкомпонентного магнитометра могут быть использованы, например, три высокочувствительных компонентных датчика магнитного поля.

Разности потенциалов U_x, U_y, U_z, возникающие в измерительных проводниках 1, 2, 3 при движении объекта относительно м.п.З., измеряют при помощи специальных измерителей потенциалов 6, 7, 8. Одновременно с помощью расположенных на подвижном объекте датчиков углов рыскания 9, крена 10 и тангажа 11 ведут измерения угла рыскания ϕ_p, угла крена ϕ_к и угла тангажа ϕ_т. Указанные углы отсчитываются относительно предварительно заданной инерциальной системы координат O_o X_o Y_o Z_o.

Сигналы с выходов компонент магнитометра, характеризующие составляющие B_x, B_y, B_z локального вектора индукции м.п.З., сигналы с выходов измерителей разности потенциалов 6, 7, 8, характеризующие разности потенциалов между концами измерительных проводников 1, 2, 3, сигналы с выходов датчиков 9, 10, 11, характеризующие величины углов рыскания ϕ_p, крена ϕ_к и тангажа ϕ_т, подают на входы бортового вычислителя 12, где вначале из выражений (7), (8), (9) вычисляют составляющие v_x, v_y, v_z вектора скорости объекта в связанной системе координат O_xyz, а затем по измеренным величинам ϕ_p, ϕ_к, ϕ_т и определенным величинам v_x, v_y, v_z вычисляют составляющие v_xo, v_yo, v_zo вектора скорости объекта в инерциальной системе координат O_o X_o Y_o Z_o.

Измерение трех составляющих вектора индукции магнитного поля Земли и измерение разностей потенциалов между концами трех измерительных проводников приводит к тому, что в системе уравнений (4, 5, 6) число неизвестных становится равным числу уравнений, что позволяет определить составляющие вектора скорости объекта v_y и v_z, перпендикулярные направлению полета, которые могут быть обусловлены, например, боковым ветром или восходящими потоками воздуха. Кроме того, это повышает точность определения скорости полета v_x за счет использования более точного выражения (7).

Определение компонент вектора скорости объекта в инерциальной системе координат позволяет решать задачи инерциальной навигации.

Измерение разностей потенциалов между концами трех измерительных проводников 1 - 3, помещенных внутрь замкнутой электропроводной оболочки 4, проницаемой для магнитного поля, приводит к тому, что электрические поля от внешних по отношению к оболочке источников, например от грозовых облаков, не вызывают появления в измерительных проводниках разности потенциалов и поэтому не создают помеху измерениям. В то же время, благодаря тому что электропроводная оболочка 4 выполнена из материала, проницаемого для магнитного поля, например из материала с магнитной проницаемостью μ = 1, м.п.З. без ослабления и искажения проходит внутрь оболочки 4 и ее наличие не сказывается на величинах разностей потенциалов между концами измерительных проводников 1 - 3, возникающих при движении объекта.

По сравнению с известными использование предлагаемого способа позволит повысить достоверность и точность определения вектора скорости подвижных объектов в несколько раз, что в свою очередь ведет к повышению точности решения навигационных и баллистических задач.

Использование: в области измерения параметров движения для автономного определения полного вектора линейной скорости самолетов, ракет, космических аппаратов и других подвижных объектов, движущихся в магнитном поле Земли, или другого небесного тела. Сущность изобретения: способ включает определение составляющей вектора индукции магнитного поля Земли в месте движения объекта, измерение разности потенциалов между концами расположенного на объекте изолированного линейного измерительного проводника, вычисление составляющей вектора скорости объекта относительно магнитного поля. На объекте проводят измерение трех составляющих вектора индукции магнитного поля Земли в прямоугольной системе координат О_xyz, связанной с подвижным объектом, а измерения разностей потенциалов проводят между концами трех измерительных проводников, при этом каждый из проводников направлен вдоль одной из осей O_x, O_y, O_z, после чего вычисляют компоненты V_x, V_y, V_z вектора скорости объекта в связанной системе координат. Затем определяют величины углов рыскания, крена и тангажа осей связанной системы координат относительно инерциальной системы координат O_o X_o Y_o Z_o и по полученным значениям углов и величинам V_x, V_y, V_z вычисляют компоненты V_xo, V_yo, V_zo вектора скорости объекта в инерциальной системе координат. Измерения разностей потенциалов лучше проводить между концами трех измерительных проводников, помещенных внутрь замкнутой электропроводной оболочки, проницаемой для магнитного поля. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ определения скорости подвижных объектов, включающий определение составляющей вектора индукции магнитного поля Земли в месте движения объекта, измерение разности потенциалов между концами расположенного на объекте изолированного линейного измерительного проводника, вычисление составляющей вектора скорости объекта относительно магнитного поля, отличающийся тем, что на объекте проводят измерение трех составляющих вектора индукции магнитного поля Земли в прямоугольной системе координат О_xyz, связанной с подвижным объектом, а измерения разностей потенциалов проводят между концами трех измерительных проводников, при этом каждый из проводников направлен вдоль одной из осей О_х, О_у, О_z, после чего вычисляют компоненты вектора скорости объекта в связанной системе координат согласно выражений



где v_x, v_y, v_z компоненты вектора скорости объекта в связанной системе координат;
В_х, В_у, В_z компоненты вектора индукции магнитного поля Земли в связанной системе координат;
l_x, L_y, L_z длины измерительных проводников, ориентированных соответственно вдоль осей О_х, О_у, О_z связанной системы координат;
U_x, U_y, U_z разности потенциалов между концами измерительных проводников, ориентированных соответственно вдоль осей О_х, О_у, О_z связанной системы координат,
затем определяют величины углов рыскания, крена и тангажа осей связанной системы координат относительно инерциальной системы координат О_о Х_о Y_о Z_о и по полученным значениям углов и величинам v_x, v_y, v_z вычисляют компоненты v_x o, v_y o, v_z o вектора скорости объекта в инерциальной системе координат. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что измерения разностей потенциалов проводят между концами трех измерительных проводников, помещенных внутрь замкнутой электропроводной оболочки, проницаемой для магнитного поля.