СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УГЛОВОЙ ОРИЕНТАЦИИ ОБЪЕКТА Российский патент 2011 года по МПК G01C21/10 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения углового положения морских, воздушных и наземных объектов в пространстве.

Известен способ коррекции инерциальной навигационной системы (Патент РФ №2345326, опубл. 27.01.2009), основанный на приеме сигналов, поступающих с акселерометров, входящих в состав инерциальной навигационной системы (ИНС). При этом определяют абсолютное ускорение по следующей зависимости

где g_x - показания акселерометра, измеряющего ускорение по продольной оси объекта, на котором установлена ИНС;

g_y - показания акселерометра, измеряющего ускорение по вертикальной оси;

g_z - показания акселерометра, измеряющего ускорение по поперечной оси объекта, на котором установлена ИНС;

и в момент времени, когда абсолютное ускорение равно ускорению силы тяжести для местности, где находится ИНС, показания ИНС по углам тангажа ϑ и крена γ заменяют на значения, вычисленные по следующим зависимостям:

Недостатком данного способа является то, что вычислять углы тангажа и крена можно только в определенные моменты времени, когда абсолютное ускорение равно ускорению силы тяжести для местности, где находится ИНС, т.е. тогда когда объект движется равномерно. В случае если объект движется неравномерно данный способ применять невозможно.

Известен способ определения угловой ориентации объекта, взятый в качестве наиболее близкого аналога (Патент РФ 2248004, опубл. 10.03.2005), основанный на приеме сигналов от космических аппаратов глобальных навигационных спутниковых систем на разнесенные приемники сигнала, расположенные на объекте так, чтобы они не лежали на одной прямой, при этом приемниками сигнала являются GPS-приемники, в количестве не менее трех, по их показаниям определяют координаты каждого приемника сигнала, на основании которых вычисляют положение векторов, задающих связанную с объектом систему координат.

Недостатком данного способа является то, что на подвижном объекте необходимо размещать разнесенные GPS-приемники в количестве не менее трех. При этом, как показывают исследования, точность определения параметров ориентации зависит от расстояния между приемниками (чем больше расстояние, тем выше точность). В связи с этим возрастают габариты системы.

Технической задачей настоящего изобретения является повышение точности определения параметров ориентации и уменьшение массогабаритных характеристик системы ориентации подвижного объекта.

Поставленная задача достигается тем, что сигналы навигационных спутников принимаются на GPS-приемник, расположенный на объекте, причем GPS-приемник выдает информацию об ускорении объекта в базовой системе координат, например в ПЗ-90, и информацию об угле курса, также с блока из трех акселерометров, измерительные оси которых взаимно перпендикулярны и совпадают с осями связанной с объектом системы координат, получают информация об ускорении объекта в связанной системе координат, тогда параметры ориентации, с учетом информации об угле курса, полученного с GPS-приемника, определяют решением матричного уравнения, т.е. находят матрицу направляющих косинусов C_g из следующего уравнения:

где C_g - матрица направляющих косинусов, характеризующая угловое положение объекта;

a _x, a _y, a _z - ускорения, измеряемые акселерометрами (показания акселерометров);

a _xg, a _yg, a _zg - ускорения, выдаваемые GPS-приемником;

далее по матрице направляющих косинусов находят углы тангажа и крена.

Сущность способа заключается в следующем:

На подвижном объекте устанавливается GPS-приемник (под GPS-приемником подразумевается приемная аппаратура спутниковых навигационных систем либо Российской ГЛОНАСС, либо американской GPS), который выдает информацию об ускорении объекта в базовой системе координат, например в ПЗ-90 (ГОСТ Р 51794-2001. Аппаратура радионавигационная глобальной спутниковой системы и глобальной системы позиционирования. Системы координат. Методы преобразования координат определяемых точек. Госстандарт России. - М.: 2001), и информацию об угле курса. Необходимо отметить, что если GPS-приемник не выдает информацию о ускорении, а выдает информацию о скорости, то можно продифференцировать скорость по времени и получить ускорение.

На объект также устанавливается блок из трех акселерометров, измерительные оси которых взаимно перпендикулярны и совпадают с осями связанной с объектом системы координат (ГОСТ 20058-80. Динамика ЛА в атмосфере. Термины, определения и обозначения. - М.: Изд-во стандартов, 1981. - 52 с.).

При этом с блока акселерометров поступает информация об ускорении объекта в связанной системе координат. Связь между ускорением в базовой системе координат и ускорением в связанной задается матричным уравнением (Анучин О.Н., Емельянцев Г.И. Интегрированные системы ориентации и навигации для морских подвижных объектов. / Под общей редакцией В.Г.Пешехонова. Издание 2-е. - СПб.: ЦНИИ «Электроприбор», 2003. - 392 с.):

где C_g - матрица направляющих косинусов, характеризующая угловое положение объекта;

a _x, a _y, a _z - ускорения, измеряемые акселерометрами (показания акселерометров), т.е. проекции ускорения на оси связанной с объектом системы координат;

a _xg, a _yg, a _zg - ускорения, выдаваемые GPS-приемником, т.е. проекции ускорения на оси базовой системы координат.

При необходимости в показаниях акселерометров и GPS-приемника можно по известным зависимостям (Анучин О.Н., Емельянцев Г.И. Интегрированные системы ориентации и навигации для морских подвижных объектов. / Под общей редакцией В.Г.Пешехонова. Издание 2-е. - СПб.: ЦНИИ «Электроприбор», 2003. - 392 с.) учесть вредные составляющие кажущегося ускорения, ускорение силы тяжести и т.д.

Решая матричное уравнение (*) любым известным способом относительно C_g, например методом наименьших квадратов, с учетом информации об угле курса, полученного с GPS-приемника, находят матрицу направляющих косинусов C_g, а по ней по стандартным формулам углы тангажа и крена (Гироскопические системы. Ч.II. Гироскопические приборы и системы. / Под ред. Д.С.Пельпора. - М.: Высшая школа, 1971. - 488 с.).

Например, если решать уравнение (*) методами аналитической геометрии, то выражение для углов тангажа и крена будут иметь вид:

где ψ - угол курса, ϑ - угол тангажа, γ - угол крена.

Знак ± определяется на основе совокупности всех определенных параметров (ускорения, углы ориентации и навигации), характеризующих положение подвижного объекта.

Необходимо отметить, что аналитические выражения для углов тангажа и крена могут иметь и другой вид (в зависимости от способа решения уравнения (*)), но численное значение углов тангажа и крена, посчитанное по разным зависимостям, должно совпадать.

Проведенное математическое моделирование подтвердило эффективность предлагаемого способа определения угловой ориентации объекта.

Таким образом, использование изобретения позволяет повысить точность определения параметров ориентации и уменьшить массогабаритные характеристики системы ориентации подвижного объекта.

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для определения углового положения морских, воздушных и наземных объектов в пространстве. Технический результат - повышение точности. Для достижения данного результата осуществляют прием сигналов от космических аппаратов глобальных навигационных спутниковых систем на GPS-приемник, расположенный на объекте. При этом с GPS-приемника получают информацию об ускорении объекта в базовой системе координат и информацию об угле курса. С блока из трех акселерометров, измерительные оси которых взаимно перпендикулярны и совпадают с осями связанной с объектом системы координат, получают информация об ускорении объекта в связанной системе координат. Параметры ориентации, с учетом информации об угле курса, полученного с GPS-приемника, определяют решением матричного уравнения. Использование изобретения позволяет повысить точность определения параметров ориентации и уменьшить массогабаритные характеристики системы ориентации подвижного объекта.

Способ определения угловой ориентации объекта, основанный на приеме сигналов от космических аппаратов глобальных навигационных спутниковых систем на GPS-приемник, расположенный на объекте, отличающийся тем, что с GPS-приемника получают информацию об ускорении объекта в базовой системе координат и информацию об угле курса, также с блока из трех акселерометров, измерительные оси которых взаимно перпендикулярны и совпадают с осями связанной с объектом системы координат, получают информацию об ускорении объекта в связанной системе координат, тогда параметры ориентации с учетом информации об угле курса, полученного с GPS-приемника, определяют решением матричного уравнения, т.е. находят матрицу направляющих косинусов C_g из следующего уравнения:

где С_g - матрица направляющих косинусов, характеризующая угловое положение объекта;
а_х, а_y, a_z - ускорения, измеряемые акселерометрами (показания акселерометров);
a_xg, a_yg, a_zg ускорения, выдаваемые GPS-приемником;
далее по матрице направляющих косинусов находят углы тангажа и крена.