НАВИГАЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2002 года по МПК G01C23/00 

Предлагаемое изобретение относится к области информационно-измерительной техники и предназначено для применения в прицельно-навигационных системах самолетов и вертолетов.

Известно навигационное устройство, содержащее бортовую цифровую вычислительную машину (БЦВМ) и спутниковую навигационную систему (СНС), взаимосвязанную с входом - выходом БЦВМ через устройство преобразования последовательных сигналов. ( См. свидетельство на ПМ 15130, кл. 7 G 01 C 23/00, 2000 г.)
Упомянутое устройство решает небольшой объем задач, имеет ограниченную область применения и не обеспечивает требуемой точности решения навигационных задач из-за погрешностей измерения псевдодальностей между антенной спутниковой навигационной системы и навигационными спутниками ГЛОНАСС / GPS, обусловленных задержками радиосигналов в верхних и нижних слоях атмосферы, уходами шкалы времени, а также преднамеренными помехами при выключенном режиме селективного доступа.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является навигационное устройство, содержащее блок питания, соединенные двусторонней связью антенный блок и приемоизмеритель спутниковых навигационных систем, включающий приемник, модуль предварительной обработки, навигационный вычислитель и интерфейсный модуль.

Устройство обеспечивает по данным отечественной и зарубежной спутниковых навигационных систем ГЛОНАСС и GPS измерение текущих координат местоположения объекта, составляющих его вектора скорости, всемирного времени. (См. "Изделие А-737". Руководство по технической эксплуатации, ФБМИ 461531.006 РЭ, 1999 г., приложение).

В рассматриваемом устройстве не предусмотрена возможность непосредственного подключения к радиостанции. Это исключает возможность решения широкого круга задач межсамолетной навигации, оперативного целеуказания, реализации дифференциального режима определения координат, обеспечивающего более высокую точность и помехозащищенность.

Кроме того, навигационный вычислитель в составе устройства решает ограниченный объем задач, обладает невысокой производительностью и является закрытым для потребителя. Это не позволяет потребителю решать в этом вычислителе дополнительные задачи. В ряде случаев это затрудняет распределение среди вычислителей бортового оборудования всего объема задач с учетом их специфики, требуемого быстродействия и надежности.

Отсутствие в составе рассматриваемого устройства модуля памяти достаточно большой емкости не обеспечивает возможность решения задач навигации с применением электронных карт, видеообразов, а также регистрации пилотажно- навигационной информации.

Целью предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей навигационного устройства и области его применения при неизменных габаритно-весовых характеристиках.

Поставленная цель достигается тем, что навигационное устройство, содержащее блок питания, соединенные двусторонней связью антенный блок и приемоизмеритель спутниковых навигационных систем, дополнительно снабжено соединенными двусторонней связью контроллером и модулем памяти, микроЭВМ, радиомодемом, последовательно соединенными модулем сопряжения и индикатором, интерфейсным модулем, блоком терморегулирования, взаимосвязанным с входом-выходом блока питания, общей шиной, связанной двусторонними связями с портами радиомодема, модуля сопряжения, интерфейсного модуля, микроЭВМ и контроллера, при этом второй и третий порты приемоизмерителя спутниковых навигационных систем связаны двусторонними связями со вторым портом модуля сопряжения и вторым портом радиомодема соответственно, второй вход индикатора связан с сигнальным выходом приемоизмерителя спутниковых навигационных систем, третий порт радиомодема связан двусторонней связью с третьим портом модуля сопряжения, а выходы блока питания связаны с общей шиной.

Отличительными от наиболее близкого аналога признаками являются:
- дополнительное снабжение навигационного устройства соединенными двусторонней связью контроллером и модулем памяти;
- снабжение радиомодемом, микроЭВМ, интерфейсным модулем, блоком терморегулирования и общей шиной;
- снабжение последовательно соединенными модулем сопряжения и индикатором;
- двусторонние связи общей шины с портами радиомодема, модуля сопряжения, интерфейсного модуля, микроЭВМ, контроллера;
- двусторонние связи второго и третьего портов модуля сопряжения со вторым и третьим портами приемоизмерителя спутниковых навигационных систем и радиомодема соответственно;
- двусторонняя связь второго порта модуля сопряжения со вторым портом приемоизмерителя спутниковых навигационных систем;
- связь сигнального выхода приемоизмерителя спутниковых навигационных систем со вторым входом индикатора;
- связи выходов блока питания с общей шиной;
- взаимная связь блока питания с блоком терморегулирования.

В результате реализации предлагаемого устройства появляются следующие преимущества по сравнению с ближайшим аналогом:
- возможность непосредственного подключения радиостанции, что позволяет реализовать дифференциальный режим работы приемоизмерителя;
- возможность решения задач межсамолетной навигации, оперативного целеуказания и т.д.;
- возможность применения навигационного устройства в составе базовой наземной контрольно-корректирующей станции;
- возможность наращивания потребителем дополнительных навигационных задач и задач самолетовождения с привлечением дополнительных навигационных данных, цифровых карт, видеообразов и т.д.;
- возможность регистрации входных, выходных и измеренных пилотажно-навигационных параметров.

Устройство поясняется чертежом, на которой показана его структурная схема.

Навигационное устройство состоит из антенного блока 1, приемоизмерителя спутниковых навигационных систем 2, модуля сопряжения 3, радиомодема 4, индикатора 5, микроЭВМ 6, интерфейсного модуля 7, контроллера 8, модуля памяти 9, общей шины 10, блока питания 11 и блока терморегулирования 12.

При этом антенный блок 1 связан двусторонней связью с первым портом приемоизмерителя спутниковых навигационных систем 2. Порт модуля памяти 9 связан двусторонней связью со вторым портом контроллера 8, а общая шина 10 связана двусторонними связями с первыми портами радиомодема 4, модуля сопряжения 3, интерфейсного модуля 7, микроЭВМ 6, контроллера 8. Второй порт модуля сопряжения 3 и второй порт радиомодема 4 связаны соответственно двусторонними связями со вторым и третьим портами приемоизмерителя спутниковых навигационных систем 2, сигнальный выход которого связан со вторым входом индикатора 5. Третий порт и сигнальный выход модуля сопряжения 3 связаны соответственно с третьим портом радиомодема 4 и первым входом индикатора 5. Вход и выход блока терморегулирования 12 связаны соответственно с первым выходом и входом блока питания 11, второй, третий и четвертый выходы которого связаны с общей шиной 10.

Радиомодем 4 предназначен для организации взаимодействия приемоизмерителя СНС 2 и микроЭВМ 6 с радиостанцией (не показана) и содержит двунаправленный преобразователь сигналов частотной телеграфии, процессорный модуль, преобразователь уровней, асинхронный приемопередатчик последовательного кода стандарта RS232 и модуль обмена с общей шиной (не показаны).

МикроЭВМ 6 содержит микропроцессор с тактовой частотой 133 МГц, модуль оперативной памяти 16 Мбайт, модуль постоянной энергонезависимой памяти 16 Мбайт, сторожевой таймер, два порта последовательного кода стандарта RS232 и разъем, на контакты которого выведена 16-ти разрядная общая шина ISA (не показаны).

Общее программное обеспечение, записанное в модуль постоянной энергонезависимой памяти микроЭВМ, под управлением операционной системы реального времени QNX обеспечивает:
- решение контрольной задачи и формирование признака "Исправность ЭВМ";
- запись потребителем в модуль постоянной энергонезависимой памяти блока программ информационного взаимодействия микроЭВМ 6 с внешними системами и специального программного обеспечения, обеспечивающего решение задач комплексной обработки информации, самолетовождения, межсамолетной навигации, оперативного целеуказания и т.д.

Запись программного обеспечения в модуль постоянной энергонезависимой памяти производится через первый или второй порт последовательного кода стандарта RS232 микроЭВМ или с модуля памяти.

Интерфейсный модуль 7 обеспечивает взаимодействие навигационного устройства с потребителями и датчиками навигационной информации, например, в соответствии с ГОСТ 26765.52 - 87. Модуль 7 используется в качестве оконечного устройства (ОУ) и работает под управлением внешнего контроллера (КК) (не показан), выполняет прием и дешифрацию командных слов контроллера (КК), определяет ошибки в сообщениях, формирует и выдает в канал ответные слова, выполняет команды управления контроллера (КК) и обеспечивает режим обмена ОУ -КК.

Приемоизмеритель СНС 2 содержит приемник, модуль предварительной обработки, навигационный вычислитель и интерфейсный модуль (не показаны). В приемоизмерителе СНС 2 предусмотрены стандартный и дифференциальный режимы измерения навигационных параметров по данным спутниковых навигационных систем ГЛОНАСС и (или) GPS, а также режим базовой контрольно-корректирующей станции.

Модуль сопряжения 3 обеспечивает электрические соединения между радиомодемом 4 и приемоизмерителем СНС 2, осуществляет их взаимодействие с общей шиной 10, индикатором 5, внешними системами и содержит:
- 8-ми разрядное буферное устройство для приема от внешних систем разовых команд (4ТТL-входа и 4 входа уровнем +27В) и их последующей выдачи по командам микроЭВМ 6 в общую шину 10;
- выходной регистр для приема с общей шины 10 8-ми разовых сигналов для последующей выдачи их во внешние системы (4ТТL-выхода и 4 выхода уровнем +27В);
- триггер сигнала прерывания IRQ для микроЭВМ по переднему фронту меток времени приемоизмерителя СНС 2;
- двунаправленный контроллер сопряжения последовательного кода RS232 с общей шиной 10 (не показаны).

Контроллер 8 предназначен для организации взаимодействия модуля памяти 9 с общей шиной 10 при записи и чтении данных под управлением микроЭВМ 6.

Модуль памяти 9 предназначен для записи и хранения данных, например заданного маршрута полета, цифровой карты рельефа местности, входных и выходных навигационных параметров устройства и реализован на микросхемах флеш-памяти. Емкость модуля памяти составляет 85-1000 Мбайт. Для обеспечения удобства эксплуатации - записи подготовленных автоматизированной системой подготовки полетных данных (не показана) заданного маршрута полета и цифровой карты рельефа местности, а также автоматизированной обработки записанных навигационных параметров - модуль памяти 9 выполнен съемным.

Работа устройства заключается в следующем.

Антенный блок 1 производит прием сигналов навигационных спутников, проводит их предварительное усиление и фильтрацию, а также согласование выходных цепей блока с высокочастотным кабелем. Питание антенного блока 1 осуществляется входным напряжением + 3 - 12 В, подаваемым в порт блока по высокочастотному кабелю.

Выбор навигационных систем ГЛОНАСС, GPS, по которым должен работать приемоизмеритель СНС 2, а также включение его в режим базовой контрольно-корректирующей станции, осуществляется признаками в составе командного слова, формируемого микроЭВМ 6 после включения устройства, выдаваемого последовательным кодом стандарта RS232 во второй порт приемоизмерителя со второго порта модуля сопряжения 3 или в четвертый порт от внешних систем. Дифференциальный режим работы формируется автоматически - при наличии на входе третьего порта дифференциальных поправок.

В стандартном режиме предварительно обработанные антенным блоком 1 сигналы навигационных спутников с первого порта приемоизмерителя СНС 2 принимаются по 20 независимым каналам, выравниваются по уровням и преобразуются в цифровой код. После этого производится формирование псевдодальностей, меток времени, доплеровских частот, данных эфемерид и альманахов навигационных спутниковых систем ГЛОНАСС и (или) GPS, по которым вычисляются составляющие путевой скорости W_N, W_E, W_H, координаты местоположения объекта Х_C, Y_C, Z_C, параметры шкалы всемирного координированного времени UTC, среднеквадратические значения погрешностей вычисленных навигационных параметров и формируется слово состояния приемоизмерителя СНС 2.

Вычисленные данные последовательным кодом стандарта RS232 и метки времени уровнем TTL со второго порта приемоизмерителя СНС 2 выдаются во второй порт модуля сопряжения 3, где преобразовываются в параллельный код стандарта ISA и по запросу микроЭВМ 6 выдаются в общую шину 10. С четвертого порта приемоизмерителя последовательным кодом стандарта RS232, в дополнение к вычисленным данным, потребителям выдаются "сырые" данные - псевдодальности, эфемериды и альманахи навигационных спутников для последующей регистрации и реализации постдифференциального режима.

С сигнального выхода приемоизмерителя СНС 2 на второй вход индикатора 5 выдается дискретный сигнал уровнем +5В, характеризующий его исправность и работоспособность по навигационным спутникам для последующей индикации.

Поступающие от радиостанции в четвертый порт радиомодема 4 пакеты сигналов частотной телеграфии (ЧТ) анализируются и при их принадлежности к стандарту дифференциальных поправок РТСМ SC - 104 преобразуются в последовательный код стандарта RS232, который со второго порта радиомодема выдается в третий порт приемоизмерителя СНС 2.

При наличии на входе третьего порта приемоизмерителя СНС 2 сигналов дифференциальных поправок в слове состояния приемоизмерителя формируется признак дифференциального режима, производится компенсация погрешностей в измеренных псевдодальностях, в соответствии с которыми вычисляются и выдаются потребителям и в модуль сопряжения 3 более точные навигационные данные.

Дифференциальный режим может быть принудительно отключен по сигналу "Отключение ДР", подаваемому от внешней системы через модуль сопряжения 3 в третий порт радиомодема 4.

В режиме базовой контрольно-корректирующей станции в четвертый порт приемоизмерителя СНС 2 вводят координаты места установки антенного блока 1 - Х_A, Y_A, Z_A. После этого по данным эфемерид и альманахов навигационных спутников систем ГЛОНАСС и (или) GPS с учетом координат местоположения антенного блока 1 формируются расчетные псевдодальности, разности измеренных и расчетных псевдодальностей ΔД_ij и скорости их изменения Формируемые пакеты поправок приводятся к стандарту RTCM SC - 104 и с дискретностью 1-5 сек с третьего порта приемоизмерителя СНС 2 выдаются во второй порт радиомодема 4, где преобразуются в пакеты сигналов частотной телеграфии.

После окончания формирования каждого пакета с четвертого порта в радиостанцию выдается команда "Включение передатчика" и, при получении от радиостанции квитанции "Передатчик включен", пакет сигналов ЧТ с четвертого порта радиомодема 4 выдается в радиостанцию для передачи по эфиру.

МикроЭВМ 6 в соответствии с записанными в модуль постоянной энергонезависимой памяти блоком программ информационного взаимодействия с внешними системами принимает от них через интерфейсный модуль 7, модуль сопряжения 3 и общую шину 10 навигационные данные, включающие, например, угловые параметры - крен γ, тангаж υ, курс ψ, составляющие путевой скорости V_N, V_E, V_H, абсолютную барометрическую высоту Набс., геометрическую высоту Нрв., измеренные координаты оперативной цели ϕ_Ц, λ_Ц, Нц, признаки, характеризующие достоверность принимаемых данных, заданные режимы полета и работы устройства.

В дополнение к данным внешних систем с общей шины 10 в микроЭВМ 6 поступают также и навигационные данные, вычисленные приемоизмерителем СНС 2, а с модуля памяти 9 через контроллер 8 - высота рельефа местности Нрф. и параметры заданного маршрута полета.

После этого микроЭВМ обрабатывает принятые данные в соответствии со специальным программным обеспечением, реализующим, например, алгоритмы, приведенные в [1], [2], и производит:
- запись входных данных в модуль постоянной памяти 9;
- счисление текущих координат местоположения;
- коррекцию счисленных координат по полю рельефа местности;
- комплексную обработку поступающей информации;
- формирование сигналов управления самолетом - Z, при выполнении полета по заданному или оперативно измененному маршруту, возврата на аэродром, повторного захода на цель, маловысотного полета, облета препятствий и выдачу их через интерфейсный модуль во внешние системы.

В пассивных режимах оперативного целеуказания или межсамолетной навигации входные данные в виде пакетов сигналов ЧТ, поступающие в четвертый порт радиомодема 4, анализируются на соответствие протоколам обмена этих режимов, затем преобразуются в параллельный код стандарта ISA и поступают в микроЭВМ 6.

В микроЭВМ 6 данные оперативного целеуказания - координаты оперативной цели ϕ_ЦП, λ_Ц, Н_цп или данные режима межсамолетной навигации - координаты и составляющие скорости ведущего самолета ϕ_BC, λ_BC, Н_ВС, V_NВС, V_ЕВС, V_HBC с учетом счисленных и скорректированных координат, составляющих путевой скорости самолета ϕ_C, λ_C, Н_C, V_NC, V_EC, V_HC в соответствии с известными формульными зависимостями преобразовываются в относительные координаты - азимут цели А_Ц или азимут ведущего самолета А_ВС, дальность цели Д_Ц или дальность ведущего самолета Д_ВС, превышение цели ΔH_Ц или превышение цели ведущего самолета ΔH_BC и составляющие относительной скорости ΔV_N, ΔV_E, ΔV_H.
Сформированные данные записываются в модуль постоянной памяти, затем через общую шину 10 и интерфейсный модуль 7 выдаются во внешние системы.

В активных режимах оперативного целеуказания или межсамолетной навигации измеренные координаты оперативной цели ϕ_Ц, λ_Ц, Н_Ц или текущие координаты самолета ϕ_C, λ_C, Н_С совместно с составляющими скорости V_NBC, V_EBC, V_HBC формируются в пакеты и по общей шине 10 выдаются в радиомодем 4, который преобразовывает их в пакеты сигналов ЧТ, сопровождаемых командой "Включение передатчика", выдаваемой в радиостанцию, и при получении квитанции "Передатчик включен" выдаются в нее для передачи по эфиру.

Переключение радиомодема 4 в режим приема данных микроЭВМ осуществляется командой "ПРД ЭВМ", подаваемой в третий порт радиомодема 4 от внешней системы через модуль сопряжения 3.

В процессе работы радиомодем 4 анализирует состояние преобразователей и при их исправности формирует и выдает с третьего порта в третий порт модуля сопряжения 3 сигнал "Исправность РМА" для последующего преобразования и отображения на индикаторе 5.

Формируемый микроЭВМ 6 сигнал "Исправность ЭВМ" через буферное устройство модуля сопряжения 3 транслируется в индикатор 5 для отображения. По совокупности сигналов "Исправность РМА", "Исправность ЭВМ" и меток времени в модуле сопряжения 3 формируется и выдается потребителям обобщенный сигнал "Исправность".

Электропитание устройства осуществляется напряжением постоянного тока +27В, подаваемого на вход модуля питания 11, который производит преобразование этого напряжения в напряжение постоянного тока +5В, +15В, -15В, его выдачу в общую шину 10, через которую осуществляется питание модулей, блоков и узлов устройства.

Блок терморегулирования 12 включается при температуре окружающей среды ниже -20^oС, доводит температуру внутри устройства до -10^oС, после чего формирует сигнал на включение модуля питания 11 и устройства в целом.

В дальнейшем блок поддерживает температуру внутри устройства в пределах -10^o ÷ -20^oС и тем самым обеспечивает увеличение срока службы устройства.

Предлагаемое устройство может быть реализовано на типовой отечественной и зарубежной базе. Так, в качестве приемоизмерителя спутниковых навигационных систем можно применить одноплатные приемники GPS/ГЛОНАСС типа GG-24 фирмы Ashteck (США) или КС-161 ЗАО "Котлин" (Санкт-Петербург).

В качестве микроЭВМ может быть использована одноплатная бортовая ЭВМ отечественной разработки БАГЕТ-83 в конструктиве PC-104, обеспечивающая управление в реальном времени, или микроЭВМ типа CM2-4DE-Q-72 REV E фирмы Ampro.

В качестве модуля памяти может быть использована FLASH - карта стандарта PCMCIA с контроллером типа MM2-PCC-Q-71, выпускаемые фирмами San Disk и Ampro.

Радиомодем, модуль сопряжения, а также другие блоки и модули устройства легко реализуются отечественными электрорадиоэлементами - микросхемами серий 1533, 533 и зарубежными элементами, выпускаемыми, например, фирмой XILINX и др.

На базе заявляемого устройства реализована и предъявлена на государственные испытания специализированная радионавигационная система СРНС-24 для использования в составе прицельно-навигационной системы ПНС-24 самолета Т6-М (МК).

Литература
1. Изделие 126 М. Математическое описание. Часть 2. Алгоритмы коррекции, навигации и привязки. АВ1. 070. 021Д5, 1982 г.

2. Научно-технический отчет "Обоснование и разработка предложений по реализации и внедрению на самолете СУ-24М корреляционно-экстремальной навигационной системы на основе цифровых карт рельефа местности", ЗАО "Гефест и Т", г. Жуковский, Моск. обл., 1998 г.

Использование: в прицельно-навигационных системах самолетов и вертолетов. Сущность изобретения: навигационное устройство включает блок питания, соединенные двусторонней связью антенный блок и приемоизмеритель спутниковых навигационных систем, соединенные двусторонней связью контроллер и модуль памяти, микроЭВМ, радиомодем, последовательно соединенные модулем сопряжения и индикатором, интерфейсный модуль, блок терморегулирования, взаимосвязанный с входом-выходом блока питания, общую шину, связанную двусторонними связями с портами радиомодема, модуля сопряжения, интерфейсного модуля, микроЭВМ и контроллера. Второй и третий порты приемоизмерителя спутниковых навигационных систем связаны двусторонними связями со вторым портом модуля сопряжения и вторым портом радиомодема соответственно, второй вход индикатора связан с сигнальным выходом приемоизмерителя спутниковых навигационных систем, третий порт радиомодема связан двусторонней связью с третьим портом модуля сопряжения, а выходы модуля питания связаны с общей шиной. При этом радиомодем выполнен двунаправленным, модуль памяти выполнен на микросхемах флеш-памяти, а общая шина выполнена в стандарте ISA. Технический результат: расширение функциональных возможностей навигационного устройства и области его применения при неизменных габаритно-весовых характеристиках. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Навигационное устройство, включающее блок питания, соединенные двусторонней связью антенный блок и приемоизмеритель спутниковых навигационных систем, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено соединенными двусторонней связью контроллером и модулем памяти, микроЭВМ, радиомодемом, последовательно соединенными модулем сопряжения и индикатором, интерфейсным модулем, блоком терморегулирования, взаимосвязанным с входом-выходом блока питания, общей шиной, связанной двусторонними связями с портами радиомодема, модуля сопряжения, интерфейсного модуля, микроЭВМ и контроллера, при этом второй и третий порты приемоизмерителя спутниковых навигационных систем связаны двусторонними связями со вторым портом модуля сопряжения и вторым портом радиомодема соответственно, второй вход индикатора связан с сигнальным выходом приемоизмерителя спутниковых навигационных систем, третий порт радиомодема связан двусторонней связью с третьим портом модуля сопряжения, а выходы блока питания связаны с общей шиной. 2. Навигационное устройство по п. 1, отличающееся тем, что радиомодем выполнен двунаправленным. 3. Навигационное устройство по п. 1, отличающееся тем, что модуль памяти выполнен на микросхемах флеш-памяти. 4. Навигационное устройство по п. 1, отличающееся тем, что общая шина выполнена в стандарте ISA.