УСТРОЙСТВО АВТОНОМНОЙ КОРРЕКЦИИ Российский патент 2000 года по МПК G01C21/00 

Предлагаемое изобретение относится к области авиационного приборостроения и может быть использовано для повышения точности решения задач навигации.

Инерциальным навигационным системам (ИНС), установленным на движущемся объекте, присущи растущие по времени погрешности определения координат и скорости, для компенсации которых используются дополнительные автономные источники информации, сигналы с которых преобразуются с помощью устройств автономной коррекции в сигналы, корректирующие ИНС.

Известно, что ошибки 1-й группы ИНС описываются дифференциальными линейными уравнениями, решения которых содержат нулевые корни, т.е. динамический процесс, который соответствует этим уравнениям, не является асимптотически устойчивым. При наличии возмущений, вызванных погрешностями базовых элементов, начальными отклонениями или другими внешними причинами, ошибки 1-й группы ИНС представляют собой периодический незатухающий или расходящийся процесс. Ошибки ИНС 2-й группы асимптотически устойчивы, но при наличии внешних возмущений (в основном из-за погрешностей измерителей абсолютной угловой скорости) нарастают пропорционально времени.

Известны устройства автономной коррекции ИНС, с помощью которых в той или иной степени корректируются ошибки ИНС 1- и 2-й групп.

Так, в устройстве автономной коррекции [1] для коррекции ИНС используется информация с индикатора углового отклонения приборной системы координат от идеального положения, совпадающего с системой координат, связанной с направлением на звезды. Недостатком устройства с применением астрокоррекции является неполная наблюдаемость ошибок 1-й группы ИНС и невозможность привести их к состоянию асимптотической устойчивости.

В устройстве доплеровской коррекции [2] для коррекции ИНС используется измеритель относительной скорости. Недостатком такого устройства является невозможность ограничить ошибки 2-й группы по модулю.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство автономной коррекции с использованием информации о рельефе местности [3]. Устройство использует сигналы с радио-, баро- и лазерного высотомера и ЭВМ с записью информации о рельефе местности. Это устройство позволяет создавать режим асимптотической устойчивости ошибок 1-й группы ИНС и ограничить ошибки 2-й группы по модулю.

На фиг.1 дана блок-схема известного устройства автономной коррекции.

Это устройство содержит последовательно соединенные блок (1) карты рельефа местности, блок (2) сравнения, второй вход которого подключен к преобразователю (3) сигналов с датчиков неинерциальных структур (радио-, баро- и лазерного высотомера) и блок (4) оптимального фильтра Калмана, подключенного, в свою очередь, к корректируемой ИНС (5), связанную соответствующими входами с блоком (1) карты рельефа местности. Выход оптимального фильтра Калмана может быть подключен к блоку (6) выдачи информации, связанному также с соответствующими выходами ИНС (5). Кроме того, вход преобразователя (3) связан с датчиками (7) неинерциальных структур, например баровысотомером, радиовысотомером и т.д.

Блоки (5), (6), (7), являются внешними, и в состав устройства автономной коррекции ИНС не входят.

Известное устройство работает следующим образом: корректируемая 3-канальная ИНС (5) выдает в блок (1) карты рельефа априорные значения широты, долготы и высоты объекта относительно референц-эллипсоида ( ϕ,λ Н). В блоке (1) формируется значение прогнозируемого приращения высоты рельефа (ΔH_пр). В блоке (3) измеряется приращение высоты рельефа ( ΔH_из ), соответствующее реальному местонахождению объекта. Невязка (Z₁ = ΔH_пр-ΔH_из) используется в качестве вектора измерения в блоке (4), где вычисляется оценка вектора состояния .

Составляющие вектора состояния используются для коррекции ИНС, а также поступают в блок (6), где суммируются алгебраически с априорными показаниями ИНС (5).

Полученные откорректированные значения сигналов поступают к потребителю.

Это устройство обеспечивает коррекцию ИНС только над пересеченной местностью, где есть существенный переменный градиент рельефа.

При малых градиентах рельефа (например, над равниной) с практически нулевым градиентом данное устройство не работает.

Данный недостаток устраняется введением в известное устройство дополнительных элементов и новых связей.

Блок-схема предлагаемого устройства автономной коррекции представлена на фиг. 2, где:
1 - блок карты рельефа местности;
2, 8 - блоки сравнения;
3 - преобразователь сигналов с датчиков неинерциальных структур;
4 - блок оптимального фильтра Калмана;
5 - блок карты приращения ускорения силы тяжести (ΔG) ;
6 - блок прогноза;
7 - блок дифференцирования;
9 - гравиметр;
10 - блок мультимодального сравнения;
10.1, 10.3 - субблоки ковариационных матриц;
10.2 - субблок сравнения;
11 - блок вектора измерений;
12 - блок датчиков неинерциальных структур;
13 - ИНС;
14 - блок выдачи информации.

На фиг. 3 приведен сопровождающий трехгранник, где:
О - центр референц-эллипсоида;
a и b - полуоси референц-эллипсоида;
O ξ,η,ζ - трехгранник, связанный с референц-эллипсоидом;
M, X₁, Y₁, Z₁ - сопровождающий трехгранник системы базовых координат.

Так же как и известное устройство, предлагаемое содержит последовательно соединенные блок (1) карты рельефа и первый блок (2) сравнения, второй вход которого подключен к преобразователю (3) сигналов датчиков (12) неинерциальных структур.

Устройство содержит также блок (4) оптимального фильтра Калмана, подключенный к корректируемой ИНС (13), связанной в свою очередь по соответствующим входам с блоком (1) карты рельефа местности.

Выход блока (4) оптимального фильтра Калмана по сигналу может быть подключен к блоку (14) выдачи информации, являющийся также как и блок (12) датчиков неинерциальных структур и ИНС (13) внешними устройствами, и не входят в состав устройства автономной коррекции.

В устройство дополнительно введены последовательно соединенные блок (5) карты приращения ускорения силы тяжести, блок (6) прогноза, вторым входом связанный через вновь введенный блок (7) дифференцирования с преобразователем (3), а третьим - с соответствующим выходом корректируемой ИНС (13), второй блок (11) сравнения, вторым входом подключенный к вновь введенному гравиметру (9).

Кроме того, в устройство дополнительно введен блок (10) мультимодального сравнения, связанный по своим входам с первым (2) и вторым (8) блоками сравнения, а выходами подключен к вновь введенному блоку (11) вектора измерений, соединенного в свою очередь с блоком (4) оптимального фильтра Калмана.

Блок (10) мультимодального сравнения содержит два субблока (10.1 и 10.3) ковариционных матриц и связанный с ними субблок (10.2) сравнения.

Блок (11) вектора измерений представляет собой электронное устройство, в котором формируется 2-мерный вектор измерения с учетом весовых коэффициентов.

Блоки (10), (11) и (4) могут быть реализованы, например, в бортовом вычислителе.

Устройство работает следующим образом:
Из корректируемой ИНС (13) в блок (5) карты приращений ускорения силы тяжести (ΔG) поступает информация о координатах ( ϕ,λ, Н), что позволяет извлечь из его памяти априорное значение ΔG. Сигнал, соответствующий этому значению, поступает в блок (6) прогноза, куда одновременно поступают сигналы, соответствующие априорным значениям абсолютных линейной (ν) и угловой (ω) скоростей из ИНС (13) сопровождающего трехгранника Mx₁y₁z₁ (см. фиг.3) и сигнал, соответствующий вертикальной составляющей ( ) из блока (7) дифференцирования, на вход которого поступает сигнал с блока (3) преобразования сигналов с датчиков (12) неинерциальных структур.

В блоке (1) карты рельефа местности, как и в прототипе, формируется сигнал, соответствующий ΔH_пр, который поступает в первый блок (2) сравнения, куда одновременно из преобразователя (3) сигналов с датчиков (12) неинерциальных структур поступает сигнал ΔH_из. На выходе блока (2) сравнения образуется сигнал (Z₁), соответствующий первому вектору измерения, который затем поступает в блок (10) мультимодального сравнения.

В блоке (6) прогноза показаний гравиметра (9) формируется сигнал, соответствующий априорному значению показания гравиметра в силу известного [2] основного уравнения инерциальной навигации:
,
где G - априорное значение ускорения силы тяжести в точке μ, где производится измерение;
ΔG - априорное значение приращения ускорения силы тяжести.

Сигналы с гравиметра (9) - n_гр и сигнал n_пр, поступающий с блока (6) прогноза, поступают во второй блок (8) сравнения, где формируется вторая составляющая (Z₂) полного вектора измерения (Z).

Сигналы, соответствующие значениям Z₂ и Z₁, поступают в блок (10) мультимодального сравнения, где в субблоках 10.1 и 10.3 определяются значения ковариационных матриц и , выполняется операция умножения этих значений на априорные значения весовых коэффициентов μ₁ и μ₂, затем преобразованные таким образом сигналы поступают на вход субблока 10.2, где производится операция мультимодального сравнения и вычисляются значения μ₁ и μ₂, на которые умножаются величины Z₁ и Z₂.

Полученные значения сигналов μ_1i+1, Z₁ и μ_2i+1, Z₂ поступают в блок (11) вектора измерения, где формируется 2-мерный вектор измерения:

с учетом значений весовых коэффициентов. Сформированный таким образом сигнал поступает на блок (4) оптимального фильтра Калмана.

Таким образом, в предлагаемом автономном устройстве коррекции, так же как и в известном устройстве с помощью блока (4) оптимального фильтра Калмана формируются сигналы коррекции ИНС, которые с помощью блока (14) выдачи информации могут быть преобразованы в сигналы, используемые для отображения информации.

Заявляемое устройство автономной коррекции позволяет привести ошибки ИНС к асимптотически устойчивому состоянию и ограничить их в возмущенном состоянии по модулю.

Устройство не имеет ограничений по применению.

С помощью предлагаемого устройства автономной коррекции ИНС определяет географические координаты объекта и их производные, а также учитывает движение объекта относительно приборной системы координат с точностью, определяемой в основном точностью базовых элементов. Опытный образец предлагаемого устройства прошел испытания, подтвердившие его работоспособность. Так, при работе ИНС с предлагаемым устройством автономной коррекции ошибки определения географических координат, выдаваемых потребителю, не превысили 0,2 угл. минуты независимо от времени работы ИНС.

Источники информации:
1. Андреев В.Д. "Теория инерциальной навигации: корректируемые системы", Москва. "Наука" 1967 г. стр. 422 - 489 - аналог.

2. То же, стр. 305 - 421 - аналог.

3. Белоглазов И. Н. и др. "Основы навигации по геофизическим полям". Москва. "Наука" 1985 г. стр. 20 - 25; 30; 45 - 52 - прототип.

Изобретение предназначено для использования в авиационном приборостроении. Устройство содержит блок карты рельефа местности, первый блок сравнения, преобразователь сигналов с датчиков неинерциальной структуры, блок оптимального фильтра Калмана. Введение в устройство блока карты приращения ускорения силы тяжести, блока прогноза, второго блока сравнения, блока дифференцирования, гравиметра, блока мультимодального сравнения и блока вектора измерений обеспечивает повышение точности решения задач навигации. 3 ил.

Устройство автономной коррекции инерциальной навигационной системы, содержащее последовательно соединенные блок карты рельефа местности и первый блок сравнения, второй вход которого подключен к преобразователю сигналов с датчиков неинерциальной структуры, блок оптимального фильтра Калмана для формирования сигналов коррекции инерциальной навигационной системы, отличающееся тем, что в него дополнительно введены последовательно соединенные блок карты приращения ускорения силы тяжести, блок прогноза и второй блок сравнения, блок дифференцирования, гравиметр, блок мультимодального сравнения и блок вектора измерений, при этом вход блока карты приращения ускорения силы тяжести объединен с входом блока карты рельефа местности и соединен с соответствующим выходом инерциальной навигационной системы, второй вход блока прогноза соединен через блок дифференцирования с преобразователем сигналов с датчиков неинерциальной структуры, а его третий вход - с соответствующим выходом инерциальной навигационной системы, второй вход второго блока сравнения подключен к гравиметру, входы блока мультимодального сравнения соединены с выходами первого и второго блоков сравнения, два входа блока вектора измерений подключены к выходам блока мультимодального сравнения, а его выход соединен с блоком оптимального фильтра Калмана.