СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ БАРОМЕТРИЧЕСКОГО ВЫСОТОМЕРА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СПУТНИКОВОЙ СИСТЕМЫ МЕСТООПРЕДЕЛЕНИЯ Российский патент 2008 года по МПК G01S7/40 

Предлагаемое изобретение относится к навигации, а именно к барометрическим высотомерам (баровысотомерам), и может быть использовано в системах управления летательных аппаратов (ЛА), к которым предъявляются требования измерения барометрической высоты с повышенной точностью.

Известен [1], с.37, барометрический высотомер (БВ), предназначенный для измерения барометрической высоты (баровысоты) полета ЛА, в основу работы которого положена зависимость баровысоты от температуры и давления

где Н_БВ - высота, измеренная баровысотомером;

Т_о - абсолютная температура у поверхности Земли;

τ - температурный градиент;

p - давление на высоте Н_БВ;

p_о - давление у поверхности Земли;

R_τ - газовая постоянная.

При градуировке БВ считается, что Т_о=288,15 К, τ=6,5°С/км, R_τ=29,27 м/°С. Однако в зависимости от климатических условий Т_о, τ, р_о и R_τ могут иметь другие значения, что вносит в измерение баровысоты методическую погрешность, к которой добавляется и инструментальная погрешность, вызываемая, например, гистерезисом анероидных коробок, изменением их упругости при изменении температуры окружающей среды, люфтами, трением и другими факторами.

Поэтому принимаются технические решения, направленные на уменьшение методических и инструментальных погрешностей БВ или (и) их компенсацию.

Наиболее близким по технической сущности является способ, описанный в [2], (фиг.1), и состоящий в том, что определяют погрешность баровысотомера ΔН_БВ путем сравнения измеренной высоты Н_БВ с высотой Н_ГСМ с выхода приемника глобальной спутниковой системы местоопределения (ГСМ), которую принимают за эталонную, корректируют на величину ΔН_БВ высоту Н_БВ и результат коррекции выдают потребителям.

Описанный способ реализован в устройстве для калибровки и повышения точности барометрических высотомеров [2], функциональная схема которого приведена на фиг.1. Измеренная БВ 1 высота Н_БВ поступает на первый вход процессора 3, на второй вход которого поступает информация об Н_ГСМ с выхода приемника 5 ГСМ, вход которого подключен к выходу антенны 6. Процессор 3 вычисляет ошибку баровысотомера

ΔН_БВ=Н_БВ-Н_ГСМ,

корректирует значение Н_БВ на величину ΔН_БВ, полученный результат Н'_БВ=Н_БВ+ΔН_БВ выдает потребителю и для индикации на дисплее 7.

Недостатком этого способа повышения точности БВ является относительно высокая погрешность определения эталонной высоты Н_ГСМ, которая, как показано в [3], может достигать 35-50 м, что приводит к такой же погрешности измерения баровысоты.

Целью предлагаемого изобретения является повышение точности измерения барометрической высоты.

Поставленная цель достигается тем, что в способе для калибровки и повышения точности баровысотомера с использованием спутниковой системы местоопределения, включающем определение погрешности ΔН_БВ баровысотомера и корректировку на ее значение выходных данных баровысотомера, осуществляют ввод данных о плановых координатах Х и У ЛА с выхода приемника ГСМ в цифровую карту местности, извлекают из нее и вводят в процессор 3 информацию о высоте hp рельефа местности, над которой находится ЛА, вводят в данный момент Т в процессор информацию о барометрической высоте Н_БВ с выхода барометрического высотомера и о радиовысоте Н_РВ с выхода радиовысотомера, суммируют Н_РВ и h_p, вычисляют погрешность баровысотомера как ΔН_БВ=Н_БВ-(Н_РВ+h_p), корректируют НБВ на величину ΔН_БВ и откорректированное значение Н'_БВ = Н_БВ + ΔН_БВ выдают потребителям.

Сущность предлагаемого способа состоит в том, что в качестве эталонной высоты Н_э, необходимой для определения погрешности Н_БВ, используется сумма высот Н_РВ, измеренной радиовысотомером, и высоты рельефа h_p, над которой находится ЛА, Н_Э = Н_РВ + h_p.

Сравнение предлагаемого способа с прототипом показывает наличие дополнительных действий, а именно:

- вводят данные о плановых координатах Х и Y ЛА с выхода приемника ГСМ типа ГЛОНАСС или GPS в цифровую карту местности (ЦКМ);

- извлекают из ЦКМ информацию о высоте h_p рельефа местности;

- измеряют высоту Н_РВ радиовысотомером;

- определяют эталонную высоту Н_Э = Н_РВ + h_p;

- вычисляют поправки ΔН_БВ = Н_БВ - Н_Э = Н_БВ-(Н_РВ + h_p).

Введение подобных действий для повышения точности измерения барометрической высоты неизвестно, что позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого решения критерию «Новизна».

Вновь вводимые блоки, необходимые для реализации предлагаемого способа повышения точности измерения барометрической высоты, широко применяются в системах управления ЛА и описаны в известной литературе [4, 5]. Однако их введение в указанных связях позволяет повысить точность измерения баровысотомера.

Такое решение не следует из уровня техники, что соответствует критерию «Изобретательский уровень».

Способ может найти применение в системах управления ЛА, к которым предъявляются повышенные требования к точности измерения баровысоты.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется дальнейшим описанием и чертежами, на которых представлены:

фиг.1 - функциональная схема, поясняющая принцип работы прототипа;

фиг.2 - функциональная схема, поясняющая предлагаемый способ повышения точности измерения баровысотомера.

На фиг.2 обозначены:

1 - баровысотомер (БВ);

2 - радивысотомер (РВ);

3 - процессор;

4 - цифровая карта местности (ЦКМ);

5 - приемник глобальной системы местоопределения (ПГСМ);

6 - антенна.

Баровысотомер 1 предназначен для измерения барометрической высоты Н_БВ.

Радиовысотомер 2 служит для измерения радиовысоты Н_РВ.

Процессор 3 обеспечивает вычисление эталонной высоты Н_Э, ошибки ΔН_БВ измерения барометрического высотомера, корректировку на ее значение измеренной баровысоты Н_БВ и выдачу откорректированного значения Н'_БВ = Н_БВ + ΔН_БВ потребителям.

Цифровая карта местности 4 предназначена для хранения и выдачи информации о высотах рельефа h_p, соответствующих введенным в нее плановым координатам Х и Y.

Приемник 5 ГСМ служит для обработки информации спутников глобальной системы навигации типа ГЛОНАСС, GPS или других и выдачи информации о плановых координатах Х и Y ЛА.

Антенна 6 предназначена для приема сигналов спутниковых передатчиков указанных выше глобальных навигационных систем.

Принцип повышения точности БВ состоит в следующем.

В момент Т выдачи ПГСМ 5 информации о плановых координатах Х и Y процессор 3 записывает код измеренной высоты Н_БВ, поступающий на его первый вход, код высоты Н_РВ, измеренной радиовысотомером 2, поступающий на его второй вход и на третий вход - код высоты рельефа h_p, относительно уровня моря из цифровой карты местности 4, который получают путем ввода в нее информации о плановых координатах ЛА с выхода ПГСМ 5.

Процессор 3 по заданному алгоритму вычисляет погрешность баровысотомера

Оценим точность вычисления поправки ΔН_БВ, которая определяется погрешностью измерения высоты ΔН_РВ и погрешностью Δh_p данных о высоте h_p рельефа.

Как показано в [6], с.8,

где Н - высота полета ЛА.

Если, например, высота полета ЛА

Н=1000 м, то ΔН_РВ=6 м.

В свою очередь согласно [5], с.47, среднеквадратическая погрешность высоты h_p определяется как

где σ_ПК - погрешность первичного картографирования;

σ_q - погрешность дискретизации рельефа.

Согласно графикам, приведенным в [5], с.48, для среднепересеченной местности σ_q<1,5 м при шаге дискретизации Ш=250 м, а σ_ПК=2÷3 м.

Тогда

Принимая Δh_p=2σ_K, получим

ΔН_БВ=ΔН_РВ+Δh_p=6+7=13 м.

Следовательно, погрешность калибровки БВ в предлагаемом способе более чем в 3 раза меньше, чем при калибровке по способу, изложенному в прототипе, и меньше допустимой погрешности измерения высоты более 260 м радиовысотомером РВЭ [8], используемым в составе ракеты Х-35Э.

Приборная реализация предлагаемого способа повышения точности измерения баровысотомера может быть осуществлена аппаратно-программным методом и не приведет к значительному увеличению объема и массы по сравнению с прототипом, т.к. радиовысотомеры применяются практически на всех ЛА, в качестве процессора 3 может быть использована бортовая цифровая вычислительная машина, а как показано в [9], для обеспечения полета ЛА в зоне 200×200 км необходимая ЦКМ 4 может быть реализована на одной микросхеме типа LH28F032SUTD [10].

Состав аппаратуры, необходимый для реализации предлагаемого способа повышения точности измерения барометрической высоты, при полете ЛА только над морской поверхностью упрощается, так как в этом случае h_p=0 и нет необходимости ввода в состав устройства ЦКМ 4, ПГСМ 5 и антенны 6.

Заявляемый способ повышения точности барометрических высотомеров удовлетворяет критерию «Промышленная применяемость», так как может быть использован в системах управления ЛА, к которым предъявляются требования повышенной точности измерения баровысоты, например в системах точного бомбометания. Откорректированную информацию о баровысоте можно применять для целей управления полетом ЛА в вертикальной плоскости на высотах, больших 260 м, и использовать радиовысотомер в режиме кратковременного излучения, и тем самым повысить такой важный параметр, как скрытность полета ЛА.

Источники информации

1. Федоров С.М., Михайлов О.И., Сухих Н.Н. Бортовые информационно-управляющие системы. - М.: Транспорт, 1994, с.37-40.

2. Способ и устройство для калибровки и повышения точности барометрических высотомеров с использованием спутниковой системы местоопределения. Патент США №6768449 ВА кл. 7 G01S 3/02 от 27.07.2004 по заявке US 2002299932 от 19.11.2002. // Изобретения стран мира, МПК G01R, S, вып.85, №14, 2005, с.34.

3. Глобальная спутниковая радионавигационная система ГЛОНАСС / Под редакцией В.Н.Харисова, А.Н.Перова, В.А.Болдина. 2-ое изд. исправ. - М.: ИПРЖР, 1999, с.387.

4. Жуковский А.П., Оноприенко Е.К., Чижов В.И. Теоретические основы радиовысотометрии. - М.: Сов. радио, 1979, с.10-17.

5. И.Н.Белоглазов, Г.И.Джанджгава, В.И.Чигин. Основы навигации по геофизическим полям. - М.: Наука, 1985, с.47-48, 107, 162-165.

6. Изделие А-035. Техническое описание ГУ 1.000.048 ТО. // Уральское проектно-конструкторское бюро «Деталь», 1983.

7. Электронный барометрический высотомер БВЭ-СВС: Рекламный проспект // ОАО «Аэроприбор - Восход», 2005.

8. Радиовысотомер РВЭ: Рекламный проспект // УПКБ "Деталь", 2005.

9. Способ измерения относительной высоты полета ракеты класса "воздух-поверхность": Патент РФ №2249830 по заявке №2002131103/09(032906) от 19.11.2002.

10. Sharp FLASAH Memory LH28F032SUTD: Рекламный проспект фирмы SHARP, 2002.

Способ повышения точности барометрического высотомера относится к навигации и может быть использован в системах управления летательных аппаратов (ЛА), к которым предъявляются требования повышенной точности измерения баровысоты Н_БВ. Сущность: с помощью приемника глобальной системы местоопределения вычисляют плановые координаты ЛА, определяют по ним высоту h_p рельефа местности, над которой находится ЛА, суммируют h_p с данными радиовысотомера Н_РВ, определяют погрешность баровысотомера ΔН_БВ=Н_БВ-(Н_РВ+h_p), корректируют Н_БВ на величину ΔН_БВ и полученный результат выдают потребителю информации о баровысоте. Достигаемый технический результат: повышение точности измерения барометрической высоты полета ЛА. 2 ил.

Способ повышения точности барометрического высотомера с использованием спутниковой системы местоопределения, включающий определение погрешности ΔН_БВ баровысотомера и корректировку выходных данных баровысотомера на величину этой погрешности, отличающийся тем, что осуществляют ввод данных о плановых координатах Х и У летательного аппарата (ЛА) с выхода приемника глобальной спутниковой системы местоопределения типа ГЛОНАСС или GPS в цифровую карту местности, извлекают из нее и вводят в процессор информацию о высоте h_p рельефа местности, над которой находится ЛА, вводят в данный момент Т в процессор информацию о барометрической высоте Н_БВ с выхода барометрического высотомера и о радиовысоте Н_РВ с выхода радиовысотомера, суммируют Н_РВ и h_p, вычисляют погрешность барометрического высотомера как ΔН_БВ=Н_БВ-(Н_РВ+h_p), корректируют Н_БВ на величину ΔН_БВ и откорректированное значение Н′_БВ=Н_БВ+ΔН_БВ выдают потребителям.