КОМПЛЕКСНАЯ НАВИГАЦИОННАЯ 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] (Бабич О.А. Обработка информации в навигационных комплексах. - М.: Машиностроение, 1991 г.) на стр.6-16, 391-507, представлена комплексная навигационная система (КИС) ЛА, включающая в себя навигационные датчики и системы, работающие на различных физических принципах, а также вычислительно-логические блоки комплексной системы, обеспечивающие информационный обмен между датчиками и системами и расчет необходимых параметров состояния ЛА: блок компенсации ошибок; блок формирования параметров состояния ЛА; блок формирования невязки, обеспечивающий сравнение однотипной информации, поступающей от различных измерителей; блоки прогноза и оценивания ошибок КНС. При работе КНС из-за наличия различных погрешностей датчиков и систем параметры движения ЛА определяются с ошибками, поэтому в комплексной системе реализуется (см. [1], стр.391) метод комплексирования информации, предусматривающий проведение статистической фильтрации информации двух или нескольких систем и получение корректирующих поправок для одной из них (корректируемой). На основе скорректированной информации осуществляется расчет основных параметров состояния и движения ЛА (азимуты и дальности до ориентиров, отклонения от заданной траектории, координаты, скорости, ускорения, углы ориентации ЛА - см., например, литературу [1], стр.171-301).

Существенным недостатком наиболее близкого аналога является то, что определение ошибок корректируемой системы методом статистического оценивания в описанной КНС производится в каждом запуске заново, т.е. без учета результатов работы алгоритмов оценивания в предыдущих запусках КИС. Вследствие этого качество компенсации ошибок зависит только от эффективности работы алгоритмов в текущем запуске и может оказаться невысоким, а комплексная система - малоэффективной.

Задачей изобретения является повышение точности КНС и, как следствие этого, повышение эффективности работы ЛА, снабженных КНС.

Достигается указанный результат тем, что содержащая базовую навигационную систему, блок корректирующих средств, блок компенсации ошибок, блок формирования параметров состояния, блок формирования невязки, блок прогноза и оценивания, причем выход базовой навигационной системы подключен к первому входу блока компенсации ошибок, выход блока компенсации ошибок подключен к блоку формирования параметров состояния и к первому входу блока формирования невязки, выход блока корректирующих средств подключен ко второму входу блока формирования невязки, выход блока формирования невязки подключен к входу блока прогноза и оценивания, выход блока прогноза и оценивания подключен ко второму входу блока компенсации ошибок, комплексная навигационная система дополнительно снабжена блоком памяти и блоком долговременной адаптации, причем вход/выход блока памяти подключен к первому входу/выходу блока долговременной адаптации, другой вход/выход блока долговременной адаптации подключен к входу/выходу блока прогноза и оценивания.

На чертеже представлена блок-схема комплексной навигационной системы, содержащей следующие блоки:

1 - базовая навигационная система БНС;

2 - блок корректирующих средств БКС;

3 - блок компенсации ошибок КО;

4 - блок формирования параметров состояния ФПС;

5 - блок формирования невязки ФН;

6 - блок прогноза и оценивания БПО;

7 - блок долговременной адаптации БДА;

8 - блок памяти БП.

Информационный обмен между входами-выходами блоков осуществляется по линиям связи, показанным на чертеже тонкой сплошной линией. Линии связи представляют собой известные (описанные, например, в книге [2], стр.21-24, 394-406) линии связи и информационного обмена, например, по последовательному коду, по параллельному коду, мультиплексные и др.

Блоки БНС 1 и БКС 2 представляют собой известные датчики и системы бортового оборудования ЛА, описанные в литературе, например [1], стр.8-16, 171-243, 316-317, 325-327, 374-385. В состав блока БНС 1 входят, например, инерциальная навигационная система (ИНС), решающая задачу автономного счисления скорости, координат и угловой ориентации объекта на основе измеряемых с помощью акселерометров и гироскопов, входящих в ИНС, ускорений и угловых скоростей (или углов ориентации) объекта; курсовертикаль, решающая задачу счисления скорости и угловой ориентации объекта на основе измерительной информации гироскопов и акселерометров; система воздушных сигналов СВС, измеряющая статические, динамические, полные давления воздуха, с помощью которых решаются задачи определения высоты и скорости объекта относительно атмосферы. В состав блок БКС 2 входят, например, радиосистема ближней навигации (РСБН), измеряющая азимут радиомаяка и дальность до него, с помощью которых при известных координатах радиомаяка решается задача определения координат объекта; радиосистема дальней навигации (РСДН), измеряющая дальности до нескольких наземных радиостанций, с помощью которых при известных координатах станций решается задача определения координат объекта; доплеровский измеритель скорости и сноса (ДИСС), измеряющий доплеровские сдвиги частот излучаемых радиосигналов, с помощью которых решается задача определения вектора скорости объекта; спутниковая навигационная система (СНС), измеряющая 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 объекта; средства визирования ориентиров (целей), измеряющие дальности до ориентиров и/или углы их визирования, с помощью которых при известных координатах ориентиров решается задача определения координат объекта; измерители параметров различных геофизических поверхностных и пространственных полей: поля рельефа, магнитного поля, гравитационного поля, поля радиолокационного контраста, с помощью которых при известных закономерностях распределений этих полей в околоземном пространстве решается задача определения координат объекта.

Вычислительно-логические блоки КО 3, ФПС 4, ФН 5, БПО 6, БДА 7 выполнены, например, в виде однопроцессорных вычислителей ([2], стр.31). Блок БП 8 выполнен, например, на постоянном запоминающем устройстве ПЗУ ([2], стр.30).

Блок КО 3 обеспечивает коррекцию параметров, выдаваемых БНС 1, на величину оценок ошибок базовой системы, полученной с помощью блоков прогноза и оценивания.

Блок ФПС 4 обеспечивает расчет параметров состояния ЛА, включающего в себя координаты, скорость, ускорение и углы ориентации ЛА относительно заданной системы отсчета на основе решения соответствующих уравнений, связывающих эти параметры с измеряемыми величинами, поступающими с выхода блока БНС 1 в блок КО 3, где производится их коррекция (см., например, книгу [1], стр.7-8, 117-158, 171-283).

Блок ФН 5 обеспечивает формирование невязки между однотипными параметрами движения ЛА: с одной стороны, измеренными с помощью БНС 1 и скорректированными с помощью КО 3, а с другой стороны - измеренными с помощью БКС 2.

Блок прогноза и оценивания БПО 6 обеспечивает формирование оценок ошибок базовой навигационной системы.

Дополнительно введенный блок БДА 7 обеспечивает текущий расчет и уточнение хранящихся в памяти величин постоянных инструментальных погрешностей системы.

Дополнительно введенный блок БП 8 обеспечивает энергонезависимое хранение и выдачу данных о величинах постоянных инструментальных погрешностей системы.

КНС работает следующим образом.

Измеряемая с помощью БНС 1 информация J^БНС о параметрах движения ЛА поступает на вход блока КО 3, в котором производится ее коррекция на величину оценок , поступающих в блок КО 3 с простого выхода блока БА 10. Скорректированная информация с выхода КО 3 поступает на первый вход блока ФН 5. На второй вход блока ФН 5 с выхода блока БКС 2 поступает величина J^БНС, измеренная корректирующим средством блока БКС 2.

В блоке ФН 5 формируется невязка между информацией базовой навигационной системы и корректирующего средства путем вычитания соответствующих величин, в результате чего на выходе блока ФН 5 формируется вектор . Здесь Z() - функция, с помощью которой описывается алгоритм формирования невязки (см., например, [1], стр.421-422, 429-430, 434-436, 451-460, 476-478; [3], стр.161-255).

В блоке ФПС 4 производится обработка информации базовой навигационной системы в соответствии с общим уравнением (см., например, [1], стр.171-178, 189-195, 216-224, 225-229, 236-240, 316-327, 374-385):

где N - многомерный вектор определяемых параметров, включающий координаты, скорость, ускорение, углы ориентации ЛА;

К - априорная информация, используемая в алгоритмах и включающая в себя информацию о координатах и скоростях спутников, радиомаяков, небесных светил, наземных ориентиров, геометрические характеристики навигационного пространства, параметры геофизических полей (атмосферы, гравитационного, магнитного, рельефа, радионавигационных и т.п.);

- алгоритм (оператор) обработки информации.

В блоке ФПС 4 определяются многомерный вектор N и основные параметры состояния и движения ЛА (азимуты и дальности до ориентиров, отклонения от заданной траектории, координаты, скорости, ускорения, углы ориентации ЛА), необходимые для решения конкретных частных задач комплексной системы.

В блоке БПО 6 осуществляется обработка поступающей на его вход невязки Z по алгоритму нестационарной вычислительно-устойчивой фильтрации (см. [1], стр.40-45; [3], стр.96-108) и для каждого k-тото момента времени формируется оценка вектора ошибок в виде:

где - прогнозируемое значение вектора ошибок в k-й момент времени;

- полученная оценка значения вектора ошибок в k-й момент времени;

f() - функциональная зависимость, устанавливающая связь между полученной оценкой вектора J^БНС, с одной стороны, и прогнозируемой ее величиной и невязкой, с другой стороны, реализуемая в фильтре блока БПО 6.

Вид алгоритмов, реализующих указанные функциональные зависимости, может быть, например, следующий:

Здесь I - единичная матрица;

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

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

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

P_k - оценка ковариационной матрицы вектора ошибок в k-й момент времени;

R - ковариационная матрица измерительных шумов;

Q - ковариационная матрица входных шумов;

F, Г, Н - матрицы модели ошибок.

При этом часть элементов вектора выбирается из блока памяти как результат работы алгоритмов оценивания во время предыдущих запусков системы.

В дополнительно введенный блок БДА 7 из блока БПО 6 поступает информация об оценках ошибок базовой навигационной системы, в том числе об оценках тех из них, которые остаются практически неизменными в течение длительного или даже всего срока эксплуатации КНС, например перекосы измерительных осей датчиков блока БНС 1, некоторые составляющие дрейфов гироскопов, входящих в состав инерциальной навигационной системы блока БНС 1. В дополнительно введенном блоке памяти БП 7 хранятся значения указанных величин, полученные и записанные во время предыдущего запуска. Эти значения также поступают в блок БДА 7, в котором происходит их обработка известными методами математической статистики (см. [4], стр.607-651), например, методом наименьших квадратов ([4], стр.650-651 или [5], стр.924-927), в результате чего синтезируются уточненные оценки долговременно стабильных погрешностей КНС, например, с помощью формул:

Здесь E - текущие оценки долговременно стабильных погрешностей, полученные в блоке БПО 6 как компоненты оцениваемого вектора ошибок;

N - общее количество таких уточнений в течение всего времени эксплуатации КНС;

- уточненная оценка долговременно стабильных погрешностей, полученная в результате n-го уточнения.

Полученные оценки записываются в блок памяти БП 8 для хранения там и последующего использования.

Введение в состав КНС описанных блоков обеспечивает долговременную индивидуальную адаптацию алгоритмов комплексной обработки информации к параметрам конкретной системы за счет уточнения и хранения в памяти оценок стабильных погрешностей системы. При этом качество получения таких оценок повышается за счет использования при их синтезе всей информации системы во всех ее запусках. Устраняется существенный недостаток наиболее близкого аналога и улучшается точность комплексной системы.

На примерах технической реализации показано достижение технического результата в части повышения точности за счет расширения функциональных возможностей комплексной навигационной системы и, как следствие, повышение эффективности применения оснащаемых ими летательных аппаратов.

ЛИТЕРАТУРА.

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

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

3. Ривкин С.С., Ивановский Р.И., Костров А.В. Статистическая оптимизация навигационных систем. - Л.: Судостроение, 1976 г.

4. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. - М.: Наука, 1977 г.

5. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. - М.: Наука, 1980 г.

Изобретение относится к технике приборостроения, а именно к навигационным приборам для контроля и управления летательными аппаратами. Технический результат - повышение точности навигационных систем. Для достижения данного результата в систему дополнительно введен блок памяти и блок долговременной адаптации, причем вход/выход блока памяти подключен к первому входу/выходу блока долговременной адаптации, второй вход/выход блока долговременной адаптации подключен к входу/выходу блока прогноза и оценивания. 1 ил.

Комплексная навигационная система, содержащая базовую навигационную систему, блок корректирующих средств, блок компенсации ошибок, блок формирования параметров состояния, блок формирования невязки, блок прогноза и оценивания, причем выход базовой навигационной системы подключен к первому входу блока компенсации ошибок, выход блока компенсации ошибок подключен к входу блока формирования параметров состояния и к первому входу блока формирования невязки, выход блока корректирующих средств подключен ко второму входу блока формирования невязки, выход блока формирования невязки подключен к входу блока прогноза и оценивания, выход блока прогноза и оценивания подключен ко второму входу блока компенсации ошибок, отличающаяся тем, что комплексная навигационная система дополнительно снабжена блоком памяти и блоком долговременной адаптации, причем вход/выход блока памяти подключен к первому входу/выходу блока долговременной адаптации, другой вход/выход блока долговременной адаптации подключен к входу/выходу блока прогноза и оценивания.