КОМПЛЕКСНАЯ ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА Российский патент 2005 года по МПК G01C23/00 

Изобретение относится к комплексам навигации, управления и наведения летательных аппаратов (ЛА).

В наиболее близком аналоге, приведенном в книге [1] на стр.262-288, представлена комплексная информационная система (КИС) ЛА, включающая в себя датчик воздушной скорости (ДВС), датчик углов атаки и скольжения (ДУАС), датчик угловой ориентации (курсовертикаль), а также вычислительное устройство, обеспечивающее информационный обмен между датчиками и расчет необходимых параметров. Вычислительное устройство содержит вычислительно-логические блоки, выполняющие следующие операции: компенсацию погрешностей датчиков, расчет вектора воздушной скорости в связанной системе координат, пересчет вектора воздушной скорости в горизонтальную систему координат, компенсацию ветра, расчет координат ЛА. Работа наиболее близкого аналога состоит в следующем. Измеренная величина воздушной скорости пересчитывается с помощью измеренных аэродинамических углов атаки и скольжения в связанную с ЛА систему координат, после чего, используя информацию об угловой ориентации ЛА относительно горизонта и меридиана, поступающую от курсовертикали, вектор воздушной скорости перепроецируется из связанной системы координат в горизонтальную. Составляющие этого вектора скорости корректируются на величины соответствующих составляющих скорости ветра, которые определяются априорными метеорологическими методами с помощью карт барической топографии, а также в виде средних значений за время полета (см. [1], стр.276-278). Скорректированный на величину ветра вектор воздушной скорости ЛА используется для счисления координат ЛА.

Недостатками наиболее близкого аналога являются, во-первых, неточный учет скорости ветра, основанный на априорной или осредненной информации о его параметрах; во-вторых, наличие погрешностей датчиков (ДВС, ДУАС, курсовертикали); в-третьих, фактическая неработоспособность (недостоверность выдаваемой информации) аэрометрических датчиков в некоторых режимах полета ЛА, например в режиме сверхманевренности, когда угол атаки α достигает значений 60...90° и далее 90...180°.

Задачей изобретения является повышение точности КИС и расширение ее функциональных возможностей при работе в особых режимах, как, например, режим сверхманевренности.

Достигается указанный результат тем, что комплексная информационная система, содержащая взаимосоединенные входами/выходами по магистрали информационного обмена датчик воздушной скорости, датчик углов атаки и скольжения, датчик углов ориентации, вычислительную систему, включающую взаимосоединенные по магистрали вычислительного информационного обмена блок расчета вектора скорости, блок перепроецирования вектора скорости, блок компенсации скорости ветра, блок расчета координат, блок ввода-вывода и управления информационным обменом, другой вход/выход которого является входом-выходом вычислительной системы, дополнительно снабжена датчиком параметров движения, вход/выход которого подключен к магистрали информационного обмена, а также введенными в состав вычислительной системы блоком формирования невязок, блоком оценивания скорости ветра, блоком прогноза скорости ветра, блоком обратного расчета вектора скорости, блоком обратного перепроецирования вектора скорости, блоком расчета углов атаки и скольжения.

На чертеже представлена блок-схема комплексной информационной системы, в состав которой входят:

1 - датчик воздушной скорости ДВС;

2 - датчик углов атаки и скольжения ДУАС;

3 - датчик углов ориентации ДУО;

4 - датчик параметров движения ДПД;

5 - вычислительная система ВС;

6 - магистраль информационного обмена МИО;

7 - магистраль вычислительного информационного обмена МВИО.

При этом в состав блока ВС 5 входят вычислительно-логические блоки:

8 - блок ввода-вывода информации и управления информационным обменом ВВУИО;

9 - блок расчета вектора скорости РВС;

10 - блок перепроецирования вектора скорости ПВС;

11 - блок компенсации скорости ветра КСВ;

12 - блок расчета координат РК;

13 - блок формирования невязок ФН;

14 - блок оценивания скорости ветра ОСВ;

15 - блок прогноза скорости ветра ПСВ;

16 - блок обратного расчета вектора скорости ОРВС;

17 - блок обратного перепроецирования вектора скорости ОПВС;

18 - блок расчета углов атаки и скольжения РУАС.

На чертеже показана также

19 - внешняя информационная система ВУС, которая не входит в состав КИС.

Информационная взаимосвязь блоков КИС осуществляется по МИО 6 (на чертеже обозначена тонкой сплошной линией).

Информационный обмен между входами/выходами вычислительно-логических модулей ВС 5 осуществляется по МВИО 7 (на чертеже обозначена тонкой сплошной линией).

Блоки 1-4 подключены своими входами/выходами к магистрали информационного обмена МИО 6, к которой подключен также вход/выход ВС 5, при этом входом/выходом ВС 5 является вход/выход блока ВВУИО 8, а другой вход/выход блока ВВУИО 8 подключен к внутренней магистрали вычислительного информационного обмена МВИО 7, к которой подключены также входы/выходы блоков 9÷18.

Блоки 1÷3 представляют собой известные датчики и бортового оборудования, описанные, например, в книге [1] на стр.274, 266-270, 107-245.

В состав блока ДУАС 2 входят, например, две свободно ориентирующиеся в потоке парные плоские пластинки, оси вращения которых закреплены на наружной поверхности ЛА. Угол поворота одной пары пластин соответствует углу скольжения β, а другой пары - углу атаки α ЛА. Эти углы воспринимаются датчиками углов и передаются потребителям.

В состав блока ДВС 1 входят приемники статического p_н и полного p_n давлений потока воздуха, набегающего на ЛА, и температуры Т заторможенного потока, а также соответствующие устройства преобразования и обработки информации. Измерение величин давлений и температуры позволяет вычислять на основе известных аэродинамических закономерностей и физики атмосферы величину V^B воздушной скорости ЛА (см. [1], стр.268):

где: ϕ(М) - известная функция числа Маха М;

М - число Маха, зависящее известным образом от статического и полного давлений потока.

В состав блока ДУО 3 входят, например, гироскопические датчики угловой ориентации, использующие свойство гироскопов сохранять заданное направление в пространстве, или астрономические датчики, использующие принцип пеленгации небесных тел и последующий расчет ориентации ЛА, или датчики угловой ориентации, основанные на использовании свободных тел (см., например, [1], стр.110-135), а также соответствующие устройства преобразования и обработки информации. В общем случае на выходе ДУО 3 имеются значения углов курса ψ, тангажа ϑ, крена γ ЛА.

Дополнительно введенный блок ДПД 4 представляет собой известное устройство измерения путевой скорости и координат ЛА, описанное в литературе, например [2], стр.8-16, 171-243, 316-317, 325-327, 374-385; [1], стр.366-372, 311-323, 516-540. Блок ДПД 4 выполнен, например, в виде инерциальной системы навигации, решающей задачу автономного счисления скорости и координат ЛА на основе измеряемых с помощью акселерометров и гироскопов, входящих в нее, ускорений и угловых скоростей (или углов ориентации) ЛА; радиотехнической системы ближней навигации, измеряющей азимут радиомаяка и дальность до него, с помощью которых при известных координатах радиомаяка решается задача определения координат ЛА; доплеровского измерителя скорости и сноса, измеряющего доплеровские сдвиги частот излучаемых радиосигналов, с помощью которых решается задача определения вектора скорости ЛА; спутниковой навигационной системы, измеряющей временную задержку, фазовый сдвиг и доплеровский сдвиг частоты радиосигналов от космических спутников, с помощью которых при известных параметрах движения спутников решается задача определения времени, координат и скорости ЛА; различных средств визирования ориентиров (целей), измеряющих дальности до ориентиров и/или углы их визирования, с помощью которых при известных координатах ориентиров решается задача определения координат ЛА; измерителей параметров геофизических поверхностных и пространственных полей: поля рельефа, магнитного поля, гравитационного поля, поля радиолокационного контраста и др., с помощью которых при известных закономерностях распределений этих полей в околоземном пространстве решается задача определения координат ЛА. На выходе блока ДПД 4 - составляющие путевой скорости ЛА и его координаты.

Магистрали МИО 6 и МВИО 7 представляют собой известные (описанные, например, в [3], стр.21-24, 394-406) линии связи и информационного обмена, например, по последовательному коду, по параллельному коду, мультиплексные и др.

Блок ВВУИО 8 представляет собой известное устройство (описанное, например, в [3], стр.16-24, 386-406, 436-440) сопряжения вычислителя с линиями связи, осуществляющее прием, контроль и выдачу информации.

Блоки РВС 9, ПВС 10, КСВ 11, РК 12, ФН 13, ОСВ 14, ПСВ 15, ОРВС 16, ОПВС 17, РУАС 18 выполнены, например, в виде однопроцессорных вычислителей ([3], стр.31).

Блок РВС 9 осуществляет расчет составляющих V^B _x, V^B _y, V^B _z вектора скорости ЛА в связанных с ним осях Ох (продольной), Oy (нормальной), Oz (боковой) с помощью формул вида ([1], стр.263):

где: α, β - измеренные с помощью ДУАС 2 углы атаки и скольжения ЛА;

V^B - измеренная с помощью ДВС 1 величина воздушной скорости ЛА.

Блок ПВС 10 осуществляет перепроецирование составляющих V^B _x, V^B _y, V^B _z вектора скорости ЛА из связанных осей на оси горизонтальной системы координат Oξηξ с помощью формул вида ([1], стр.264):

где: V_ξ, V_η, V_ζ - проекции вектора скорости ЛА на оси горизонтальной системы координат;

ψ, ϑ, γ - углы курса, тангажа, крена ЛА, измеренные с помощью ДУО 3;

ось Оη направлена по вертикали вверх, ось Oξ, образует угол χ с направлением на север.

Блок КСВ 11 осуществляет добавление к составляющим V_ξ, V_η, V_ζ вектора скорости ЛА составляющих скорости ветра u_ξ, u_η, u_ζ на эти же оси и формирование расчетных значений W_ξ, W_η, W_ζ путевой скорости ЛА:

Блок РК 12 осуществляет интегрирование расчетных значений W_ξ, W_η, W_ζ путевой скорости ЛА и определение координат S_ξ, S_η, S_ζ ЛА (см. [1], стр.280).

Дополнительно введенный блок ФН 13 обеспечивает формирование невязок между расчетными значениями скорости и координат, полученными в блоках ПВС 10 и РК 12, с одной стороны, и измеренными с помощью блока ДПД 4, с другой стороны.

Дополнительно введенный блок ОСВ 14 путем соответствующей обработки невязок обеспечивает оценивание скорости ветра и инструментальных погрешностей датчиков КИС.

Дополнительно введенный блок ПСВ 15 обеспечивает прогноз скорости ветра в режимах, когда работа блоков ДВС 1, ДУАС 2 и ОСВ 14 затруднена.

Дополнительно введенный блок ОРВС 16 обеспечивает обратный расчет вектора скорости ЛА относительно атмосферы путем соответствующего решения «треугольника скоростей» ([1], стр.266).

Дополнительно введенный блок ОПВС 17 обеспечивает обратное перепроецирование полученного в блоке ОРВС 16 вектора скорости ЛА из горизонтальной в связанную систему координат.

Дополнительно введенный блок РУАС 18 обеспечивает формирование расчетных значений углов атаки и скольжения в режимах, когда работа блоков ДВС 1, ДУАС 2 затруднена.

КИС работает следующим образом.

В нормальных режимах полета, когда блоки ДВС 1, ДУАС 2, ДПД 4 функционируют правильно, работа КИС происходит так. ДВС 1 измеряет величину V^B воздушной скорости ЛА, ДУАС 2 измеряет углы атаки α и скольжения β. Эти величины через МИО 6, блок ВВУИО 8 поступают в МВИО 7. Из МВИО 7 они поступают в блок РВС 9, в котором с помощью формул (2) осуществляется расчет составляющих вектора скорости в связанной системе координат. Эти составляющие через МВИО 7 поступают в блок ПВС 10. ДУО 3 измеряет углы ψ, ϑ, γ ориентации ЛА, которые через МИО 6, блок ВВУИО 8 поступают в МВИО 7. Из МВИО 7 значения углов ориентации ЛА поступают в блок ПВС 10, в котором с помощью формул (3) осуществляется перепроецирование вектора скорости ЛА из связанной системы координат в горизонтальную. Полученные величины проекций скорости ЛА через МВИО 7 поступают в блок КСВ 11, в который из МВИО 7 поступают также величины составляющих скорости ветра u_ξ, u_η, u_ζ и с помощью формул (4) осуществляется формирование расчетных значений W_ξ, W_η, W_ζ путевой скорости ЛА, которые затем через МВИО 7 поступают в блок РК 12, в котором производится их интегрирование и определение координат S_ξ, S_η, S_ζ ЛА.

ДПД 4 осуществляет определение составляющих W^ДПД _ξ, W^ДПД _η, W^ДПД _ζ путевой скорости ЛА и координат S^ДПД _ξ, S^ДПД _η, S^ДПД _ζ ЛА, которые через МИО 6, блок ВВУИО 8 поступают в МВИО 7. Из МВИО 7 они поступают в блок ФН 13, в который также поступают значения скоростей ЛА из блока ПВС 10, а также значения координат ЛА из блока РК 12. Вычитанием из расчетных значений координат и скоростей S_ξ, S_η, S_ζ и V_ξ, V_η, V_ζ измеренных значений: S^ДПД _ξ, S^ДПД _η, S^ДПД _ζ и V^ДПД _ξ, V^ДПД _η, V^ДПД _ζ - строится вектор Z невязок, который поступает в МВИО 7. Из МВИО 7 вектор Z невязок поступает в блок ОСВ 14, в котором осуществляется оценивание составляющих скорости ветра и погрешностей (ошибок) датчиков КИС, например, по алгоритму нестационарной вычислительно-устойчивой фильтрации (см. [2], стр.40-45) вида:

Здесь E - единичная матрица;

- прогнозируемое значение оцениваемого вектора состояния в k-й момент времени;

- оценка значения вектора состояния в k-й момент времени;

- прогнозируемое значение ковариационной матрицы вектора состояния в k-й момент времени;

Р_k - оценка ковариационной матрицы вектора состояния в k-й момент времени;

Q, R - ковариационные матрицы входных и измерительных шумов соответственно;

F, Г, Н - матрицы моделей системы.

В состав оцениваемого вектора состояния входят, например, погрешности (ошибки) датчиков КИС, составляющие u_ξ, u_η, u_ζ скорости ветра, составляющие N_ξ, N_η, N_ζ негравитационных ускорений воздушных масс, вызванных турбулентностью атмосферы. Полученные значения оценок поступают в МВИО 7, а оттуда - в другие блоки ВС 5 для соответствующей обработки, а также для соответствующего учета ошибок блоков ДВС 1, ДУАС 2, ДУО 3.

Введение в состав КИС блоков ДПД 4, ФН 13, ОСВ 14 позволяет с высокой точностью определять параметры скорости ветра и ошибок датчиков КИС, что существенно повышает точность определения координат и скорости ЛА.

В режимах полета, когда блоки ДВС 1 и ДУАС 2 функционируют правильно, а блок ДПД 4 - неправильно (или вообще не функционирует), например, если блок ДПД 4 выполнен в виде приемника спутниковой навигационной системы, то неправильная работа блока может быть обусловлена наличием помех, - система КИС работает следующим образом. ДВС 1 измеряет величину V^B воздушной скорости ЛА, ДУАС 2 измеряет углы атаки α и скольжения β. Эти величины через МИО 6, блок ВВУИО 8 поступают в МВИО 7. Из МВИО 7 они поступают в блок РВС 9, в котором с помощью формул (2) осуществляется расчет составляющих вектора скорости в связанной системе координат. Эти составляющие через МВИО 7 поступают в блок ПВС 10. ДУО 3 измеряет углы ψ, ϑ, γ ориентации ЛА, которые через МИО 6, блок ВВУИО 8 поступают в МВИО 7. Из МВИО 7 значения углов ориентации ЛА поступают в блок ПВС 10, в котором с помощью формул (3) осуществляется перепроецирование вектора скорости ЛА из связанной системы координат в горизонтальную. Полученные величины проекций скорости ЛА через МВИО 7 поступают в блок КСВ 11, в который из МВИО 7 поступают также величины составляющих скорости ветра u_ξ, u_η, u_ζ и с помощью формул (4) осуществляется формирование расчетных значений W_ξ, W_η, W_ζ путевой скорости ЛА, которые затем через МВИО 7 поступают в блок РК 12, в котором производится их интегрирование и определение координат S_ξ, S_η, S_ζ ЛА. Определение составляющих скорости ветра u_ξ, u_η, u_ζ производится в блоке ПСВ 15 с помощью формул вида:

где: Ω - угловая скорость Земли;

g - ускорение силы тяжести;

ω - абсолютная угловая скорость горизонтального трехгранника;

- негравитационное ускорение воздушных масс, в котором N - член, обусловленный турбулентностью;

ρ - плотность атмосферы;

p_H - статическое давление атмосферы.

Давление p_H определяется, например, с помощью блока ДВС 1, а если блок ДВС 1 становится неработоспособен, то используется запомненное значение давления. Величина N формируется в блоке ОСВ 14 и на время, в течение которого нет информации от ДПД 4, запоминается в блоке ПСВ 15. Величины Ω, g и ω определяются с помощью известных формул (см., например,[4], стр.20-22, 44-46, 56) как функции координат ЛА, например, в принятой в книге [1] системе ориентации осей Oξηζ, эти формулы имеют вид:

Здесь Ω - величина угловой скорости Земли;

R_ξ, R_ζ, R_C - радиусы кривизны поверхности высоты Н;

А - величина большой полуоси земного эллипсоида;

ϕ, Н - широта и высота места;

g_o - величина ускорения силы тяжести на экваторе;

δ - безразмерный коэффициент (δ=0.005317 - см., [4], стр.21).

Введение в состав КИС блока ПСВ 15 позволяет с высокой точностью определять параметры скорости ветра в условиях, когда нет корректирующей информации по скорости и координатам, что существенно повышает точность автономного определения координат и скорости ЛА.

В тех режимах полета, когда блоки ДВС 1 и ДУАС 2 функционируют неправильно (блоки находятся в состоянии отказа или их информация недостоверна), например, в режиме сверхманевренности ЛА, а блоки ДУО 3 и ДПД 4 действуют исправно, работа КИС происходит так. Измерение величин V^B, α, β с помощью блоков ДВС 1 и ДУАС 2 невозможно. В блоке ПСВ 15 осуществляется определение составляющих скорости ветра u_ξ, u_η, u_ζ с помощью формул вида (6). Эта информация поступает в МВИО 7. ДПД 4 осуществляет определение составляющих W^ДПД _ξ, W^ДПД _η, W^ДПД _ζ путевой скорости ЛА, которые через МИО 6, блок ВВУИО 8 поступают в МВИО 7. Из МВИО 7 они поступают в блок ОРВС 16, в который также поступают значения составляющих скорости ветра u_ξ, u_η, u_ζ. В блоке ОРВС 16 осуществляется обратный расчет составляющих V_ξ, V_η, V_ζ вектора скорости ЛА с помощью формул вида:

Полученные составляющие скорости через МВИО 7 поступают в блок ОПВС 17, в который из МВИО 7 поступают также определенные блоком ДУО 3 углы ψ, ϑ, γ ориентации ЛА. В блоке ОПВС 17 осуществляется обратное перепроецирование составляющих V_ξ, V_η, V_ζ вектора скорости ЛА из горизонтальной системы координат Oξηζ в связанную систему координат с помощью формул, обратных формулам (3):

Рассчитанные составляющие V^B _x, V^B _y, V^B _z через МВИО 7 поступают в блок РУАС 18, в котором осуществляется расчет углов атаки и скольжения с помощью формул, обратных формулам (2):

Также в блоке РУАС 18 осуществляется расчет величины воздушной скорости ЛА с помощью формулы вида:

Рассчитанные значения α, β, V^B через МВИО 7, ВВУИО 8, МИО 6 поступают на входы потребителей этой информации.

Введение в состав КИС блоков ОРВС 16, ОПВС 17, РУАС 18 обеспечивает определение аэродинамических параметров (воздушной скорости ЛА, углов атаки и скольжения) в условиях, когда аэрометрические датчики работают неправильно или находятся в состоянии отказа, например в режиме сверхманевренности ЛА. При этом существенно расширяются функциональные возможности системы, принципиально улучшается качество ее работы в таких режимах и, как следствие, повышается эффективность действия ЛА, оснащенных КИС.

На примерах технической реализации показано достижение технического результата в части повышения точности работы КИС и расширения его функциональных возможностей и, как следствие, повышение эффективности применения оснащаемых им летательных аппаратов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Селезнев В.П. Навигационные устройства. - М.: Машиностроение, 1974 г.

2. Бабич О.А. Обработка информации в навигационных комплексах. - М.: Машиностроение, 1991 г.

3. Преснухин Л.Н., Нестеров П.В. Цифровые вычислительные машины. - М.: Высшая школа, 1981 г.

4. Бромберг П.В. Теория инерциальных систем навигации. - М.: Наука, 1979 г.

Изобретение относится к технике приборостроения, а именно к навигационным приборам для контроля и управления летательными аппаратами. Технический результат - расширение функциональных возможностей. Для достижения данного результата в систему дополнительно введен датчик параметров движения, вход/выход которого подключен к магистрали информационного обмена. В состав вычислительной системы введены блок формирования невязок, блок оценивания скорости ветра, блок прогноза скорости ветра, блок обратного расчета вектора скорости, блок перепроецирования вектора скорости и блок расчета углов атаки и скольжения. 1 ил.

Комплексная информационная система, содержащая соединенные входами/выходами по магистрали информационного обмена датчик воздушной скорости, датчик углов атаки и скольжения, датчик углов ориентации, вычислительную систему, включающую соединенные по магистрали вычислительного информационного обмена блок расчета вектора скорости, блок перепроецирования вектора скорости, блок компенсации скорости ветра, блок расчета координат, блок ввода-вывода и управления информационным обменом, другой вход/выход которого является входом/выходом вычислительной системы, отличающаяся тем, что она дополнительно снабжена датчиком параметров движения, вход/выход которого подключен к магистрали информационного обмена, а также введенными в состав вычислительной системы и подключенными своими входами/выходами к магистрали вычислительного информационного обмена блоком формирования невязок, блоком оценивания скорости ветра, блоком прогноза скорости ветра, блоком обратного расчета вектора скорости, блоком обратного перепроецирования вектора скорости, блоком расчета углов атаки и скольжения.