УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ТРЕХМЕРНОГО ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ Российский патент 2014 года по МПК G01S19/00 

Изобретение относится к устройству и способу для трехмерного позиционирования летательного аппарата согласно пунктам 1 и 10 формулы изобретения, соответственно.

Трехмерное позиционирование летательных аппаратов с высокими требованиями к точности, доступности, непрерывности и целостности важно, например, при посадке вертолетов. При этом, прежде всего, при плохой видимости посадочной площадки или при отсутствии такой видимости могут возникать проблемы. Для трехмерного позиционирования во время захода на посадку известны различные технологии, которые в дальнейшем будут кратко разъяснены вместе со своими недостатками.

Например, известна интеграция GPS (глобальная система позиционирования) и INS (инерциальная навигационная система). Однако, тем самым не удается достичь требований к точности трехмерного позиционирования, которая, например, требуется при автономной посадке. К тому же различные корректирующие данные лишь ограничено доступны. Данное решение также чувствительно к воздействию станций активного радиоэлектронного подавления.

Далее известна так называемая посадочная РЛС, которая приводит к большим эксплуатационным расходам. Кроме того, с точки зрения определения позиции и контроля целостности пользовательский сегмент не полностью автономен, так как контроль производится в наземном сегменте вместо пользовательского сегмента. И наконец, требуется дорогой наземный сегмент больших механических размеров и с большой потребляемой мощностью.

Следующей известной технологией является локальная двухмерная система радарного позиционирования, которая все же ограничена двухмерным позиционированием и, как правило, обладает меньшей доступностью и непрерывностью, чем в случае объединенного подхода для данных от датчиков с GNSS (глобальная спутниковая навигационная система) и IMU (инерциальный измерительный блок). Из-за ограниченности системы двухмерным позиционированием она не рассматривается в качестве помощи при посадке, а пригодна лишь для руления.

Наконец, известна навигационная подсистема на базе псевдоспутников (Integrity Beacon Landing), которая, правда, легко подвержена воздействию станций активного радиоэлектронного подавления, так как она работает исключительно в GNSS-диапазоне частот. Высокой точности позиционирования можно добиться использованием алгоритмов фаз несущей частоты, что негативно воздействует на доступность и усложняет интеграционные концепции. Кроме того, данная технология приводит к повышенным затратам на наземный сегмент из-за наземных псевдоспутников (Integrity Beacons).

Далее приводятся следующие публикации, которые занимаются решениями в области позиционирования:

- Thibaut G.: "Cost Benefit Analysis on Precision Approach and Landing Systems (PALS) - Final Report", NIAG SG-99 итоговый отчет, том 2, документ AC/224(ACG5)D(2007)0002, июль 2007 г.,

- Cohen C.E., Pervan B.S., Cobb H.S., Lawrence D.G. Powell J.D., Parkinson B.W.: "Precision Landing of Aircraft Using Integrity Beacons", в Global Positioning System:: Theory and Applications Volume II, том 164, American Institute of Aeronautics and Astronautics, Washington, DC, 1996,

- Greenspan R.L.: "GPS and Inertial Integration", в Global Positioning System: Theory and Applications Volume II, том 164, American Institute of Aeronautics and Astronautics, Washington, DC, 1996, и

- "SYMEO Local Positioning Radar System LPR-B 1D", документация на изделие, Symeo GmbH, 2009 г.

Задачей предлагаемого изобретения является обеспечить улучшенное трехмерное позиционирование, которое делает возможным объединение требований к точности, доступности, неразрывности и целостности к решению позиционирования.

Данная задача решена посредством устройства для трехмерного позиционирования летательного аппарата с признаками пункта 1 формулы изобретения и посредством способа трехмерного позиционирования летательного аппарата с признаками пункта 10 формулы изобретения. Дополнительные выполнения изобретения являются предметом зависимых пунктов формулы изобретения.

Изобретение предусматривает объединение измерений вторичного радара, GNSS-измерений и IMU-данных в интегрирующем процессоре, который определяет трехмерную позицию на основании объединенных измерений и данных. С целью объединения интегрирующий процессор может проводить объединение измерений и данных с помощью нелинейного фильтра. Согласно изобретению расчет трехмерной позиции на стороне пользователя может происходить автономно в интегрирующем процессоре. Это обеспечивает контроль целостности решения задачи позиционирования непосредственно у пользователя, где информация о тревоге целостности требуется раньше всего. Используемая в целях изобретения система вторичных радаров, которая может быть выполнена как работающий в C-диапазоне частот (IEEE) FMCW (частотно-модулированный радар непрерывного излучения) - радар, имеет базовую станцию, которая закрепляется на пользовательском блоке, и несколько распределенных в локальной ограниченной области транспондеров (станций). Измерение расстояний между базовой станцией и транспондерами базируется на измерениях времени задержки сигнала. При этом базовая станция излучает FMCW-радарный сигнал, посредством которого транспондеры синхронизируются в течение жестко заданного промежутка времени. После успешной синхронизации транспондеры излучают FMCW-ответный сигнал. Для того чтобы при объединении измерений и данных в нелинейном фильтре добиться хорошей наблюдаемости состояний фильтра, а также высокой доступности и целостности решения задачи трехмерного позиционирования, в нелинейном фильтре дополнительно могут обрабатываться GNSS-исходные измерения и IMU-данные. Тем самым, способ безотказен к затенениям сигнала и ограничениям геометрических размеров локальной системы вторичного радара.

Одним объектом изобретения является устройство для трехмерного позиционирования летательного аппарата, имеющее наземный сегмент, включающий в себя несколько транспондеров, и пользовательский сегмент, находящийся на летательном аппарате и включающий в себя:

- базовую станцию вторичного радара, которая предназначена для измерения дальности до транспондеров и имеет по меньшей мере одну радарную антенну,

- GNSS-приемник, который предназначен для измерения GNSS-сигналов, и имеет GNSS-приемную антенну,

- инерциальный измерительный блок, который предназначен для определения положения GNSS-приемной антенны, а также по меньшей мере одной радарной антенны в связанной с летательным аппаратом общей системе координат, и

- интегрирующий процессор, в который подводятся измерения псевдодальности GNSS-приемника, радарные измерения дальности, и измеренные инерциальным измерительным блоком перемещения GNSS-приемной антенны и по меньшей мере одной радарной антенны относительно осей общей системы координат и который определяет трехмерную позицию общей опорной точки путем объединения подведенных измерений и данных, при этом с учетом измеренных перемещений GNSS-приемной антенны и по меньшей мере одной радарной антенны производится компенсация плеч, определяемых расстояниями от общей опорной точки до GNSS-приемной антенны, по меньшей мере одной радарной антенны и инерциального измерительного блока.

Путем объединения измерений и данных из различных источников можно добиться безотказного и очень надежного определения трехмерной позиции находящейся в пользовательском сегменте опорной точки, что важно, например, для безопасного захода вертолета на посадку.

Вторичная базовая станция может быть выполнена для того, чтобы работать в C-диапазоне частот (IEEE) и использовать FMCW-радарные сигналы для измерения дальности.

В устройстве может быть предусмотрена инерциальная навигационная система, которая имеет инерциальный измерительный блок, и интегрирующий процессор выполнен для выполнения вне операционной области системы вторичного радара трехмерного позиционирования летательного аппарата с первой объединенной навигацией на базе измерений псевдодальности GNSS-приемника и инерциальных навигационных измерений инерциальной навигационной системы, и для выполнения в пределах операционной области трехмерного позиционирования летательного аппарата со второй объединенной навигацией на базе радарных измерений дальности, измерений псевдодальности GNSS-приемника, и инерциальных навигационных измерений инерциальной навигационной системы.

Таким образом, во время, например, фазы полета, в которой базовая станция вторичного радара слишком далеко удалена от транспондеров наземного сегмента, определение трехмерной позиции производится на основании GNSS и инерциальной навигации, а во время фазы подлета к месту посадки вблизи транспондеров для трехмерного позиционирования дополнительно подключается измерение дальности между антенной/антеннами радаров и транспондерами, которое имеет более высокий весовой коэффициент, чем измерение псевдодальности GNSS-приемника, что обусловлено меньшей вариативностью измерений. Тем самым, в различных фазах полета можно добиться оптимального трехмерного позиционирования относительно доступных измерений и соответствующей им вариативности измерений.

Для решения имеющихся проблем фильтрации интегрирующий процессор может иметь сигма-точечный фильтр Калмана для обработки измерения псевдодальности GNSS-приемника, IMU-данных и радарных измерений дальности. Использование сигма-точечного фильтра Калмана позволяет предотвратить полное пренебрежение членами второго или высшего порядка, что происходило бы при линеаризации измерительных уравнений. Учет нелинейностей важен, прежде всего, при измерениях с помощью вторичного радара из-за малых дистанций между пользовательским сегментом и транспондерными станциями, так как здесь членами второго порядка в отношении замеренного уровня шума без последствий пренебречь нельзя.

Сигма-точечный фильтр Калмана может быть предназначен для определения корректировочных данных инерциальной навигационной системы из измерений псевдодальности GNSS-приемника и радарных измерений дальности, и интегрирующий процессор может выполнять алгоритм бесплатформенной инерциальной навигационной системы (Strapdown-Algorithmus), которая на основе корректирующих данных и измеренных инерциальным измерительным блоком перемещений устройства относительно осей общей системы координат определяет трехмерную позицию.

Альтернативно, сигма-точечный фильтр Калмана может быть выполнен для определения трехмерной позиции на основании измерений псевдодальности GNSS-приемника, радарных измерений дальности и INS - навигационного решения, и определенная трехмерная позиция в целях калибровки может объединяться через систему обратной связи с инерциальной навигационной системой устройства.

Прежде всего, сигма-точечный фильтр Калмана должен исходить не из линеаризации наклонной дальности между по меньшей мере одной радарной антенной и одним транспондером, но и также может учитывать нелинейные члены, прежде всего члены второго порядка.

Прежде всего, наклонная дальность r может быть аппроксимирована с использованием следующей нелинейной функции, которая также учитывает члены второго порядка:

$$\tilde{r}\left({\underset{\_}{x}}_{U,k}\right)=r\left({\underset{\_}{x}}_{U,k}^{-}\right)+{\left({\underset{\_}{x}}_{U,k}-{\underset{\_}{x}}_{U,k}^{-}\right)}^T\nabla r\left({\underset{\_}{x}}_{U,k}^{-}\right)+\frac{1}{2}{\left({\underset{\_}{x}}_{U,k}-{\underset{\_}{x}}_{U,k}^{-}\right)}^{T}H\left({\underset{\_}{x}}_{U,k}^{-}\right)\left({\underset{\_}{x}}_{U,k}-{\underset{\_}{x}}_{U,k}^{-}\right)$$ ,

где $${\underset{\_}{x}}_{U,k}$$ - трехмерный вектор позиции в момент времени k между транспондером ТР и радарной антенной U, где $${\underset{\_}{x}}_{U,k}^{-}$$ - текущая точка приближения, где $$\nabla r\left({\underset{\_}{x}}_{U,k}^{-}\right)$$ - вектор частной производной от r в точке $${\underset{\_}{x}}_{U,k}^{-}$$ , и где $$\left({\underset{\_}{x}}_{U,k}^{-}\right)$$ - матрица второй частной производной от r в точке $${\underset{\_}{x}}_{U,k}^{-}$$ .

Для решения проблемы нелинейной фильтрации в нелинейном фильтре может использоваться способ оптимизации, для оптимизации может использоваться, прежде всего, сигма-точечный фильтр Калмана или фильтр 2-го порядка.

Далее, нелинейный фильтр может реализовывать модель состояния, которая в зависимости от применения устройства имеет линейные или нелинейные уравнения состояния.

Преимущественной областью использования изобретения является его применение на борту летательного аппарата для навигации при подлете к посадочной площадке, в краевых областях которой размещены несколько транспондеров вторичного радара для базовой станции вторичного радара устройства.

Еще одним объектом изобретения является способ трехмерного позиционирования летательного аппарата, включающий:

- прием радарных измерений дальности от установленной на летательном аппарате базовой станции вторичного радара, которая предназначена для измерения дальности до транспондеров и имеет по меньшей мере одну радарную антенну,

- прием измерений псевдодальности от установленного на летательном аппарате GNSS-приемника, который предназначен для измерения GNSS-сигналов и имеет GNSS-приемную антенну,

- прием измерений перемещения GNSS-приемной антенны и по меньшей мере одной радарной антенны от установленного на летательном аппарате инерциального измерительного блока, который предназначен для того, чтобы определять положение GNSS-приемной антенны, а также по меньшей мере одной радарной антенны в связанной с летательным аппаратом общей системе координат, и

- определение трехмерной позиции общей опорной точки путем объединения измерений псевдодальности GNSS-приемника, радарных измерений дальности, и полученных инерциальным измерительным блоком измерений перемещения GNSS-приемной антенны и по меньшей мере одной радарной антенны с учетом компенсации плеч, определяемых расстояниями от общей опорной точки до GNSS-приемной антенны, по меньшей мере одной радарной антенны и инерциального измерительного блока. Компенсация плеч обеспечивает, что в завершение все измерения будут относиться к одной и той же опорной точке. Компенсация плеч требуется потому, что GNSS-приемная антенна, радарная (радарные) антенна (антенны), и инерциальный измерительный блок в стандартном случае пространственно разнесены.

Способ может быть реализован, например, в бортовом компьютере летательного аппарата, например самолета или вертолета, в котором уже имеются GNSS-приемник и GNSS-приемная антенна, а также инерциальный измерительный блок и, при необходимости, система вторичного радара. Это позволяет оснастить и улучшить имеющуюся полетную навигационную систему, благодаря чему уже при заходе на посадку обеспечивается точное и надежное трехмерное позиционирование. Способ может быть реализован как программное обеспечение, которое может выполняться в бортовом компьютере.

Далее способ может отличаться следующими шагами:

- нелинейная фильтрация для определения корректирующих данных INS-навигационного решения из принятых измерений псевдодальности и принятых радарных измерений дальности, и

- выполнение алгоритма бесплатформенной инерциальной навигационной системы для определения трехмерной позиции на основании корректирующих данных и принятых измерений перемещения, или

- нелинейная фильтрация для определения трехмерной позиции на основании принятых измерений псевдодальности, принятых радарных измерений дальности, и принятого INS-навигационного решения.

Нелинейная фильтрация может использовать аппроксимацию наклонной дальности между по меньшей мере одной радарной антенной и транспондером посредством нелинейной функции, прежде всего в особом случае квадратичной функции, прежде всего в особом случае аппроксимация наклонной дальности r с использованием следующей нелинейной функции:

$$\tilde{r}\left({\underset{\_}{x}}_{U,k}\right)=r\left({\underset{\_}{x}}_{U,k}^{-}\right)+{\left({\underset{\_}{x}}_{U,k}-{\underset{\_}{x}}_{U,k}^{-}\right)}^T\nabla r\left({\underset{\_}{x}}_{U,k}^{-}\right)+\frac{1}{2}{\left({\underset{\_}{x}}_{U,k}-{\underset{\_}{x}}_{U,k}^{-}\right)}^{T}H\left({\underset{\_}{x}}_{U,k}^{-}\right)\left({\underset{\_}{x}}_{U,k}-{\underset{\_}{x}}_{U,k}^{-}\right)$$ ,

где $${\underset{\_}{x}}_{U,k}$$ - трехмерный вектор позиции в момент времени k между транспондером TP и устройством U, где $${\underset{\_}{x}}_{U,k}^{-}$$ - текущая точка приближения, где $$\nabla r\left({\underset{\_}{x}}_{U,k}^{-}\right)$$ - вектор частной производной от r в точке $${\underset{\_}{x}}_{U,k}^{-}$$ , и где $$H\left({\underset{\_}{x}}_{U,k}^{-}\right)$$ - матрица второй частной производной от r в точке $${\underset{\_}{x}}_{U,k}^{-}$$ .

При нелинейной фильтрации для решения проблемы нелинейной фильтрации в нелинейном фильтре может использоваться нелинейный способ оптимизации, прежде всего сигма-точечный фильтр Калмана или фильтр 2-го порядка.

Предлагаемое изобретение согласно следующей форме выполнения относится к компьютерной программе для выполнения способа согласно одной форме выполнения предлагаемого изобретения и компьютерному программному продукту, включающего в себя выполненный с возможностью машинного считывания носитель программы, на котором компьютерная программа может быть сохранена в форме управляющих сигналов с возможностью электронного и/или оптического считывания.

Следующие преимущества и возможности применения предлагаемого изобретения вытекают из нижеследующего описания в сочетании с показанными на чертежах примерами выполнения.

В описании, в формуле изобретения, в реферате и в чертежах используются примененные в приведенном внизу списке ссылочных обозначений термины и соответствующие ссылочные обозначения.

Чертежи показывают на

Фиг.1 - пример выполнения системной архитектуры устройства трехмерного позиционирования согласно изобретению,

Фиг.2 - доступность и задание весовых коэффициентов данных от датчиков в пользовательском сегменте на протяжении глиссады согласно изобретению,

Фиг.3 - объединенный подход для данных от датчиков вторичного радара, данных GNSS-приемника, и IMU-данных от датчиков согласно изобретению, и

Фиг.4 - объединенный подход для данных от датчиков вторичного радара и данных GNSS-приемника датчиков, интегрированных с навигационными решениями инерциальной навигационной системы согласно изобретению.

В последующем описании одинаковые, функционально одинаковые и функционально взаимосвязанные элементы могут быть снабжены одинаковыми ссылочными обозначениями. В дальнейшем абсолютные значения приведены лишь в качестве примера, и их не следует понимать как ограничивающие изобретение.

Далее описывается системная архитектура основанной на вторичном радаре системы трехмерного позиционирования и объединенного нелинейного фильтрующего подхода на основании показанного на фиг.1 устройства 10 для точного трехмерного позиционирования в пространственно ограниченной области согласно изобретению. Архитектура имеет наземный сегмент с посадочной площадкой для вертолета и пользовательский сегмент, который находится на вертолете.

Системная архитектура

Наземный и пользовательский сегмент устройства 10 для точного трехмерного позиционирования в пространственно ограниченной области имеет следующие элементы:

1) Наземный сегмент:

Изменяемое количество транспондеров 14 вторичного радара, расположение которых может быть согласовано с локальными условиями, и ориентация антенн которых может быть оптимизирована с точки зрения конкретного применения. Транспондеры могут быть расположены, например, по краям зоны захода на посадку, на фиг.1 вокруг вертолетной посадочной площадки 26, чтобы таким образом с помощью радара распознать посадочную площадку, прежде всего при плохих погодных условиях, например при наземном тумане.

2) Пользовательский сегмент:

a. Базовая станция 12 вторичного радара по меньшей мере с одной радарной антенной 16, размещение которой может быть оптимизировано в зависимости от области применения для того, чтобы избежать затенения радарных сигналов и эффекта от нескольких лепестков излучения. Возможно беспроблемное расширение до двух или более радарных антенн. Хотя в пользовательском сегменте могут быть применены также и несколько радарных антенн, нижеследующие описания для улучшения наглядности исходят из наличия единственной радарной антенны. Излученные базовой станции радарные сигналы (пунктирные линии на фиг.1) переизлучаются транспондерами 14 наземного сегмента в виде ответного сигнала.

b. GNSS (Global Navigation Satellite System) - приемник 18 с GNSS-антенной 20. GNSS-приемник может являться, например, приемником сигналов NAVSTAR-GPS, GLONASS или будущей европейской GNSS GALILEO.

c. IMU (инерциальный измерительный блок) 20 для возможности определения положения GNSS-приемной антенны и радарной (радарных) антенны (антенн) в связанной с пользовательским сегментом системе координат.

d. (Навигационный) компьютер 24, в котором происходит объединение данных от датчиков и расчет трехмерной позиции пользователя. Компьютер 24 включает в себя также интегрирующий процессор для данных от датчиков с использованием вышеописанного объединенного нелинейного фильтра, который детально описываются далее.

Если соответствующий пользовательский сегмент в стандартном выполнении имеет дополнительные датчики (например, альтиметр), то эти дополнительные данные от датчиков также могут быть привлечены для генерации решения позиционирования. Показанная на фиг.1 структура датчиков представляет собой минимальный объем устройства, в котором система 12, 14 вторичного радара является ключевым компонентом. Уже в этой минимальной комплектации можно достичь достаточно хорошей производительности. Для того чтобы получить лучшие результаты при моделировании времени задержки сигнала в тропосфере, является возможным расширение датчиками температуры, давления и влажности.

Координаты транспондерных антенн 14 в абсолютной системе координат пользовательскому сегменту известны для того, чтобы он мог рационально использовать измерения дальности радара в нелинейном фильтре. Информация о координатах транспондеров может быть либо статически сохранена в памяти пользовательского сегмента, либо динамически передаваться через линию передачи данных в пользовательский сегмент. Если транспондер 14 находится на подвижной платформе, например на авианосце, то абсолютные координаты транспондера должны динамически корректироваться.

Система 12, 14 вторичного радара работает в С-диапазоне частот (IEEE) и для определения дальности использует FMCW (FMCW: Frequency Modulated Continuous Wave) - радарные сигналы. В пределах от малого до среднего радиуса действия от транспондеров 14 наземного сегмента на базовой станции 12 вторичного радара пользовательского сегмента доступны точные измерения дальности. В пределах данной пространственно ограниченной области может производиться высокоточное трехмерное позиционирование. Решение задачи позиционирования в пределах операционной области отличается высокой доступностью и непрерывностью, а также очень малым интегрированным риском того, что не будут распознаны недопустимо большие ошибки позиционирования.

Наряду с измерениями дальности с малым уровнем шумов, системой 12, 14 вторичного радара нелинейным фильтром обрабатываются также и GNSS-измерения псевдодальности с более высоким уровнем шумов по следующим причинам: Система вторичного радара перекрывает лишь ограниченную операционную область и, как правило, устанавливается только там, где, наряду с малым интегрированным риском, требуются высокая точность позиционирования, доступность и непрерывность, на фиг.1 - на посадочной площадке 26. За пределами этой области требования к решению задачи позиционирования, как правило, ниже. С помощью соответствующего изобретению устройства можно добиться улучшения решения задачи трехмерного позиционирования с приближением к критической операционной области, например к показанной на фиг.1 вертолетной посадочной площадке 26. Эта концепция на фиг.2 разъясняется на примере пути захода на посадку или же глиссады: За пределами операционной области 28 вторичного радара (точечная линия на фиг.2) измерения дальности радара с малым уровнем шумов недоступны, так что решение задачи трехмерного позиционирования базируется исключительно на объединенном (дифференциал) GNSS/INS (Inertial Navigation System) навигационном решении. Внутри операционной области 28 определяется объединенное вторичный радар/(дифференциал) GNSS/INS-навигационное решение. При этом в нелинейном фильтре GNSS-измерениям псевдодальности по причине повышенной дисперсии измерений может присваиваться существенно меньший весовой коэффициент, чем радарным измерениям дальности, которые имеют соответственно пониженную дисперсию измерений.

В операционной области 28 вторичного радара, то есть вблизи посадочной площадки 26 на фиг.1, измерения псевдодальности с повышенным уровнем шумов по прежнему могут учитываться нелинейным фильтром с меньшим весовым коэффициентом, вместо того, чтобы обрабатывать только измерения дальности радара с малым уровнем шумов. Тем самым количество транспондеров 14 в системе можно поддерживать на небольшом уровне, и способ позиционирования менее восприимчив к отсутствиям измерения дальности между базовой станцией 12 вторичного радара и отдельными транспондерами 14 из-за затенений сигнала. Если для позиционирования будут использоваться исключительно измерения дальности радара, то могут появиться слишком большие VDOPs (Vertical Dilution Of Precision) (погрешности позиционирования по вертикали) за счет того, что антенны транспондеров 14 и радарная антенна 16 пользовательского сегмента находятся приблизительно в одной плоскости. При комбинации измерений спутниковых сигналов и измерений радарных сигналов в объединенном фильтрующем подходе внутри операционной области получаются очень хорошие значения HDOP (Horizontal Dilution Of Precision) (погрешность позиционирования по горизонтали) и VDOP.

Пользовательский сегмент располагает тремя вращательными степенями свободы в пространстве. Для концепции трехмерного позиционирования требуется знание углового положения пользовательского сегмента, так как на стороне пользователя используются две пространственно разнесенные антенны (радарная антенна 16 и GNSS-приемная антенна 20 на фиг.1) для GNSS-сигналов и радарных сигналов. Требуемая информация об углах получается посредством интеграции IMU 20. Тем самым, GNSS-измерения и радарные измерения могут быть привязаны к общей нулевой или же опорной точке за счет того, что производится компенсация плеча. Другими положительными аспектами применения IMU 20 является то, что инерциальная система имеет высокую доступность, могут быть достигнуты высокие скорости передачи данных, и может быть найдено полное решение навигационной задачи для всех шести степеней свободы пользовательского сегмента.

Объединенный нелинейный фильтрующий подход

Для достижения высокоточного трехмерного позиционирования на стороне пользователя объединяются нижеперечисленные данные от датчиков. На основании выбранной комбинации датчиков может быть найдено полное решение навигационной задачи, выходящее за рамки только лишь указания трехмерной позиции. Для того чтобы объединение данных от датчиков привело к высокоточному решению задачи позиционирования, в измерительной модели фильтра учитываются пространственные различия между GNSS-антенной позицией, позицией (позициями) радарной (радарных) антенны (антенн), и ISA (Inertial Sensor Assembly). Различия между опорными точками данных от датчиков (фазовый центр GNSS-антенны, фазовый центр радарной антенны, ISA) определяются при установке системы, например, в координатах North-East-Down (NED). В дальнейшем описании в качестве общей опорной точки выбран ISA, так что после установки системы задаются оба вектора смещения $${\underset{\_}{\delta }}_{radar,NED}$$ и $${\underset{\_}{\delta }}_{GNSS,NED}$$ . Посредством применения в пользовательском сегменте IMU 22 предусмотрена возможность наблюдения углов бокового наклона, тангажа и рыскания (Roll, Pitch и Yaw) пользовательского сегмента. С помощью непрерывно обновляемой информации об угловом положении и заранее заданных векторов смещения $${\underset{\_}{\delta }}_{radar,NED}$$ и $${\underset{\_}{\delta }}_{GNSS,NED}$$ обеспечивается задание GNSS-уравнений наблюдаемости и уравнений наблюдаемости радаров относительно общей (нулевой) системы координат.

Далее приводится список выходных данных датчиков по отдельности. Обработка некоторых данных является факультативной, так что можно выбирать в фильтре между более высокими вычислительными затратами и увеличением производительности за счет использования дополнительных независимых измерений.

Система 12 вторичного радара на стороне пользователя поставляет результаты следующих измерений:

- наклонные дальности до n транспондеров 14 наземного сегмента,

- факультативно: скорость изменения удаления до n транспондеров 14 наземного сегмента,

- относящиеся к измерениям качественные коэффициенты и/или дисперсии GNSS-приемник 18 поставляет следующие величины в качестве выхода датчика:

- псевдоудаление (наклонная дальность плюс погрешности) до m спутников,

- факультативно: допплеровские измерения до m спутников,

- факультативно: ADR (Accumulated Doppler Range) до m спутников,

- факультативно: дифференциальные корректирующие данные (например, SBAS), которые накладываются на измерения GNSS-приемника,

- стандартные отклонения измерений.

IMU 22 поставляет результаты измерений для:

- ускорения на ось, угловой скорости на ось.

Фиг.3 показывает объединенный подход для данных от датчика вторичного радара, GNSS-приемника и IMU, при котором "исходные" измерения ускорений и угловой скорости от IMU 22 обрабатываются в интегрирующем процессоре 30. Измерения дальности, дисперсии измерений и, при необходимости, измерения скорости изменения дальности базовая станция 12 вторичного радара направляет в предварительный фильтр 32 данных интегрирующего процессора 30. Далее измерения псевдодальности (PSR), дисперсии измерений и, при необходимости, дифференциальные корректирующие данные, ADR - измерения и допплеровские измерения подводятся в предварительный фильтр 34 коррекций и данных интегрирующего процессора 30. Выходные данные обоих фильтров 32 и 34 подводятся в нелинейный фильтр 36 интегрирующего процессора 30, который на основании данных измерений и INS-навигационного решения рассчитывает корректирующие данные 38, которые для определения трехмерной позиции обрабатываются по выполняемому интегрирующим процессором 30 алгоритму бесплатформенной инерциальной навигационной системы. В алгоритм 38 бесплатформенной инерциальной навигационной системы затем добавляются ускорения и угловые скорости и, при необходимости, дисперсии измерений, которые были измерены IMU 22. Эти измеренные движения устройства 10 также обрабатываются алгоритмом 38 бесплатформенной инерциальной навигационной системы. В качестве результата инерциальный процессор 30, наряду с трехмерной позицией, может выдавать такие дополнительные данные, как ковариантности, скорость, ускорение, положение.

Если на стороне пользователя IMU уже интегрирован в навигационный компьютер, то INS-навигационное решение может, как для показанного на фиг.4 объединенного подхода для данных от датчиков от вторичного радара и GNSS-приемника, обрабатываться непосредственно в интегрирующем процессоре 31. В нелинейный фильтр 37 интегрирующего процессора 31 подводятся отфильтрованные выходные данные обоих фильтров 32 и 34, и определенная инерциальной навигационной системой (INS) 23 трехмерная позиция, скорость, положение, матрица ковариантности состояний и, при необходимости, ускорение устройства 10. В отличие от показанного на фиг.3 подхода, нелинейный фильтр 37 на основании полученных данных определяет не корректирующие данные, а трехмерную позицию устройства 10, которую выдает интегрирующий процессор 31, прежде всего с такими дополнительно определенными данными, как ковариантности, скорость, ускорение, положение, время. Найденное решение задачи позиционирования также используется для поддержки отдельной инерциальной навигационной системы.

Далее разъясняются оба используемых в интегрирующих процессорах 30 и 31 способа интеграции данных от измерительных датчиков вторичного радара, GNSS-приемника и IMU в нелинейных фильтрах 36 и 37. Способы следует использовать альтернативно друг другу.

Нелинейная измерительная модель используется для измерений вторичного радара по причине малых дистанций между пользовательским сегментом и транспондерными станциями и быстро изменяющейся геометрии пользователь/транспондер в операционной области. Радарное измерение дальности s_k между транспондером ТР и пользователем U с трехмерным вектором проекции $${\underset{\_}{x}}_{U,k}$$ на момент времени k можно выразить следующим образом:

$$s_k=r\left({\underset{\_}{x}}_{U,k}\right)+{\nu }_k$$

с геометрической наклонной дальностью $$r\left({\underset{\_}{x}}_{U,k}\right)$$

$$r\left({\underset{\_}{x}}_{U,k}\right)=\sqrt{{\left(x^{ТР}-x_{U,k}\right)}^2+{\left(y^{ТР}-y_{U,k}\right)}^2+{\left(z^{ТР}-z_{U,k}\right)}^2}$$

При этом ν_k является замеренным уровнем шума дополнительно к таким нескорректированным компонентам погрешностей, как многонаправленность и погрешности калибровки. Функция r в текущей точке приближения $${\underset{\_}{x}}_{U,k}^{-}$$ аппроксимируется не как обычно при GNSS-измерениях посредством линейной функции. Существует возможность аппроксимировать r посредством квадратичной функции r, которая лучше отображает нелинейности системы вторичного радара:

$$\tilde{r}\left({\underset{\_}{x}}_{U,k}\right)=r\left({\underset{\_}{x}}_{U,k}^{-}\right)+{\left({\underset{\_}{x}}_{U,k}-{\underset{\_}{x}}_{U,k}^{-}\right)}^T\nabla r\left({\underset{\_}{x}}_{U,k}^{-}\right)+\frac{1}{2}{\left({\underset{\_}{x}}_{U,k}-{\underset{\_}{x}}_{U,k}^{-}\right)}^{T}H\left({\underset{\_}{x}}_{U,k}^{-}\right)\left({\underset{\_}{x}}_{U,k}-{\underset{\_}{x}}_{U,k}^{-}\right)$$

где $$\nabla r\left({\underset{\_}{x}}_{U,k}^{-}\right)$$ ректор частной производной от r в точке $${\underset{\_}{x}}_{U,k}^{-}$$ , и $$H\left({\underset{\_}{x}}_{U,k}^{-}\right)$$ матрица второй частной производной от r в точке $${\underset{\_}{x}}_{U,k}^{-}$$ . Для оптимизации можно использовать, например, фильтр 2-го порядка. Для решения имеющейся проблемы нелинейного фильтра также хорошо подходит сигма-точечный фильтр Калмана. В общем случае следует использовать нелинейный способ оптимизации так, чтобы не исходить из простой линеаризации уравнений наклонной дальности.

Используемые в фильтре модели состояния могут корректироваться с помощью конкретных приложений. В зависимости от приложения лучшую пригодность могут показать линейные или нелинейные уравнения состояния.

Безотказность системы

Описанный способ безотказен в условиях преднамеренного глушения, так как не все выбранные здесь датчики одновременно и в одинаковой мере поддаются воздействию одной станции активного радиоэлектронного подавления. В то время как GNSS работает в L-диапазоне частот, радарная система эксплуатируется в C-диапазоне частот. Следующее существенное различие заключается в том, что GNSS-приемник в пользовательском сегменте является пассивным, в то время как базовая станция вторичного радара в пользовательском сегменте является активным компонентом. На основании высокой степени дублирования измерений в пределах критической операционной области помеху GNSS или радарной системе можно простым способом детектировать. Далее надежность системы повышается в результате применения IMU, который в существенной степени невосприимчив к станциям активного радиоэлектронного подавления. Выдаче интегрирующим процессором решения задачи трехмерного позиционирования предшествует проверка целостности решения. Наряду с чистыми способами распознавания погрешности, в интегрирующем вычислителе могут быть также реализованы способы исключения погрешностей, благодаря чему достигается очень высокая доступность решения задачи позиционирования.

Посредством предлагаемого изобретения и форм выполнения изобретения можно добиться, прежде всего, следующих преимуществ:

- наряду с высокой точностью трехмерного решения позиционирования можно одновременно добиться высокой доступности, непрерывности и целостности решения задачи позиционирования в пределах ограниченной пространственной области,

- предусмотрена возможность достижения высокой скорости обновления решений задач позиционирования.

- система надежнее других предложенных систем для PALS (Precision Approach and Landing Systems) в отношении активного подавления благодаря выбранному объединению данных от датчиков, которое комбинирует друг с другом различные принципы измерений, и объединенному фильтрующему подходу.

- позиционирование происходит автономно на стороне пользователя: контроль целостности решения задачи позиционирования может производиться непосредственно в пользовательском блоке. Это требует небольших усилий со стороны оператора, и не требуется дополнительной передачи данных между наземным и пользовательским сегментом,

- небольшие механические размеры, небольшая потребляемая мощность и небольшие затраты на приобретение и эксплуатацию дополнительной локальной системы, то есть базовых станций вторичного радара и транспондерных станций,

- GPS-приемники и антенны, а также IMU уже установлены во многих пользовательских сегментах воздушного сообщения, так что на стороне пользователя требуется расширение всего лишь на базовую станцию вторичного радара и антенну (антенны). Можно использовать существующие бортовые компьютеры для реализации в них нелинейных алгоритмов фильтрации,

- наземный сегмент вторичного радара можно легко смонтировать также и на мобильные платформы (например, авианосцы).

Предлагаемое изобретение обладает потенциалом для обеспечения трехмерного решения позиционирования в ограниченной пространственной области (например, в зоне вертолетных посадочных площадок) с требуемыми в воздушном сообщении точностью, доступностью и целостностью. Тем самым, можно резко минимизировать риск крушений, а также сэкономить время и расходы тем, что можно выполнять автономные посадки при плохой/отсутствующей видимости посадочной площадки. К тому предлагаемое изобретение является надежным при наличии источников помех.

Ссылочные обозначения и аббревиатуры

10 Устройство трехмерного позиционирования 12 Базовая станция вторичного радара 14 Транспондер вторичного радара 16 Радарная антенна 18 GNSS-приемник/GNSS RX 20 GNSS-приемная антенна 22 IMU 23 INS 24 Навигационный компьютер 26 Вертолетная посадочная площадка 28 Операционная область вторичного радара 30, 31 Интегрирующий процессор 32 Предварительный фильтр данных радарных измерений дальности 34 Предварительный фильтр коррекций и данных измерений псевдодальности 36 Нелинейный фильтр 38 Алгоритм бесплатформенной инерциальной навигационной системы FMCW Frequency Modulated Continuous Wave/частотно-модулированный радар непрерывного излучения GNSS Global Navigation Satellite System/глобальная система спутниковой навигации HDOP Horizontal Dilution Of Precision/снижение точности по горизонтали IMU Inertial Measurement Unit/инерциальный измерительный блок INS Inertial Navigation System/инерциальная навигационная система ISA Inertial Sensor Assembly/структура инерциальных датчиков NED North-East-Down/Север-Восток-Низ RX Приемник SBAS Satellite Based Augmentation System/базирующаяся на спутниках дополнительная система VDOP Vertical Dilution Of Precision/снижение точности по вертикали

Изобретение относится к позиционированию летательного аппарата. Сущность изобретения заключается в том, что устройство (10) трехмерного позиционирования с базовой станцией (12) вторичного радара, которая предназначена для измерения дальности до ретрансляторов (14) и имеет по меньшей мере одну радарную антенну (16), содержит GNSS-приемник (18), который предназначен для измерения GNSS-сигналов, и имеет GNSS-приемную антенну (20), инерциальный измерительный блок (22), который предназначен для определения положения GNSS-приемной антенны, а также по меньшей мере одну радарную антенну в общей системе координат относительно нулевой точки, и интегрирующий процессор (24, 30, 31), в который подводятся измерения псевдодальности GNSS-приемника, радарные измерения дальности, и измеренные инерциальным измерительным блоком (22) перемещения устройства относительно осей общей системы координат, и который определяет трехмерную позицию общей опорной точки путем объединения подведенных измерений и данных, при этом с учетом измеренных перемещений производится компенсация плеча. Достигаемый технический результат - повышение точности позиционирования. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство (10) для трехмерного позиционирования летательного аппарата, имеющее наземный сегмент, включающий в себя несколько транспондеров (14), и пользовательский сегмент, находящийся на летательном аппарате и включающий в себя:
- базовую станцию (12) вторичного радара, которая предназначена для измерения дальности до транспондеров (14) и имеет по меньшей мере одну радарную антенну (16),
- GNSS-приемник (18), который предназначен для измерения GNSS- сигналов, и имеет GNSS-приемную антенну (20),
- инерциальный измерительный блок (22), который предназначен для определения положения GNSS-приемной антенны, а также по меньшей мере одной радарной антенны в связанной с летательным аппаратом общей системе координат, и
- интегрирующий процессор (24, 30, 31), в который подводятся измерения псевдодальности GNSS-приемника, радарные измерения дальности, и измеренные инерциальным измерительным блоком (22) перемещения GNSS-приемной антенны и по меньшей мере одной радарной антенны относительно осей общей системы координат, и который определяет трехмерную позицию общей опорной точки путем объединения подведенных измерений и данных, при этом с учетом измеренных перемещений GNSS-приемной антенны и по меньшей мере одной радарной антенны производится компенсация плеч, определяемых расстояниями от общей опорной точки до GNSS-приемной антенны, по меньшей мере одной радарной антенны и инерциального измерительного блока.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что базовая станция (12) вторичного радара выполнена для того, чтобы работать в С-диапазоне частот (IEEE) и использовать FMCW-радарные сигналы для измерения дальности.

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что предусмотрена инерциальная навигационная система (23), которая имеет инерциальный измерительный блок (22), и интегрирующий процессор (24, 30, 31) выполнен для выполнения вне операционной области (28) системы вторичного радара трехмерного позиционирования летательного аппарата с первой объединенной навигацией на базе измерений псевдодальности GNSS-приемника (18) и инерциальных навигационных измерений инерциальной навигационной системы (23), и для выполнения в пределах операционной области (28) базовой станции (12) вторичного радара трехмерного позиционирования летательного аппарата со второй объединенной навигацией на базе радарных измерений дальности, измерений псевдодальности GNSS-приемника (18), и инерциальных навигационных измерений инерциальной навигационной системы (23).

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что интегрирующий процессор (24, 30, 31) имеет нелинейный фильтр (36, 37) для обработки измерений псевдодальности GNSS-приемника, IMU-данных, и радарных измерений дальности.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что предусмотрен нелинейный фильтр (36) для определения корректирующих данных INS-навигационного решения из измерений псевдодальности GNSS-приемника и радарных измерений дальности, и интегрирующий процессор (30) выполняет алгоритм бесплатформенной инерциальной навигационной системы, который на основании корректирующих данных и измеренных инерциальным измерительным блоком (22) перемещений устройства относительно осей общей системы координат определяет трехмерную позицию.

6. Устройство по п.4, отличающееся тем, что нелинейный фильтр (37) выполнен для определения трехмерной позиции на основании измерений псевдодальности GNSS-приемника, радарных измерений дальности, и INS-навигационного решения, и определенная трехмерная позиция для калибровки объединяется по каналу обратной связи с инерциальной навигационной системой (23) устройства.

7. Устройство по п.4, отличающееся тем, что нелинейный фильтр (36, 37) аппроксимирует наклонную дальность между, по меньшей мере, одной радарной антенной (16) и одним транспондером (14) посредством нелинейной функции, прежде всего в особом случае посредством квадратичной функции, прежде всего в особом случае наклонная дальность r аппроксимируется с использованием следующей нелинейной функции:
$$\tilde{r}\left({\underset{\_}{x}}_{U,k}\right)=r\left({\underset{\_}{x}}_{U,k}^{-}\right)+{\left({\underset{\_}{x}}_{U,k}-{\underset{\_}{x}}_{U,k}^{-}\right)}^T\nabla r\left({\underset{\_}{x}}_{U,k}^{-}\right)+\frac{1}{2}{\left({\underset{\_}{x}}_{U,k}-{\underset{\_}{x}}_{U,k}^{-}\right)}^{T}H\left({\underset{\_}{x}}_{U,k}^{-}\right)\left({\underset{\_}{x}}_{U,k}-{\underset{\_}{x}}_{U,k}^{-}\right)$$ ,
где $${\underset{\_}{x}}_{U,k}$$ - трехмерный вектор позиции в момент времени k между транспондером (14) и радарной антенной (16), где $${\underset{\_}{x}}_{U,k}^{-}$$ - текущая точка приближения, где $$\nabla r\left({\underset{\_}{x}}_{U,k}^{-}\right)$$ - вектор частной производной от r в точке $${\underset{\_}{x}}_{U,k}^{-}$$ и где $$H\left({\underset{\_}{x}}_{U,k}^{-}\right)$$ - матрица второй частной производной от r в точке $${\underset{\_}{x}}_{U,k}^{-}$$ .

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что нелинейный фильтр (36, 37) для решения нелинейной проблемы фильтрации использует для оптимизации нелинейный способ оптимизации, прежде всего сигма-точечный фильтр Калмана или фильтр 2-го порядка.

9. Устройство по одному из пп.4-8, отличающееся тем, что нелинейный фильтр (36, 37) реализует модель состояния, которая в зависимости от применения устройства имеет линейные или нелинейные уравнения состояния.

10. Способ трехмерного позиционирования летательного аппарата, включающий:
- прием радарных измерений дальности от установленной на летательном аппарате базовой станции (12) вторичного радара, которая предназначена для измерения дальности до транспондеров (14) и имеет по меньшей мере одну радарную антенну (16),
- прием измерений псевдодальности от установленного на летательном аппарате GNSS-приемника (18), который предназначен для измерения GNSS-сигналов и имеет GNSS-приемную антенну (20),
- прием измерений перемещения GNSS-приемной антенны и по меньшей мере одной радарной антенны от установленного на летательном аппарате инерционного измерительного блока (22), который предназначен для того, чтобы определять положение GNSS-приемной антенны, а также по меньшей мере одной радарной антенны в связанной с летательным аппаратом общей системе координат, и
- определение трехмерной позиции общей опорной точки путем объединения измерений псевдодальности GNSS-приемника, радарных измерений дальности, и полученных инерциальным измерительным блоком измерений перемещения GNSS-приемной антенны и по меньшей мере одной радарной антенны с учетом компенсации плеч, определяемых расстояниями от общей опорной точки до GNSS-приемной антенны, по меньшей мере одной радарной антенны и инерциального измерительного блока.

11. Способ по п.10, отличающийся тем, что выполняют следующие шаги:
- нелинейная фильтрация (36) для определения корректирующих данных INS-навигационного решения из принятых измерений псевдодальности и принятых радарных измерений дальности, и
- выполнение алгоритма (38) бесплатформенной инерциальной навигационной системы для определения трехмерной позиции на основании корректирующих данных и принятых измерений перемещения, или
- нелинейная фильтрация (37) для определения трехмерной позиции на основании принятых измерений псевдодальности, принятых радарных измерений дальности, и принятого INS-навигационного решения.

12. Способ по п.10 или 11, отличающийся тем, что нелинейная фильтрация (36, 37) включает в себя аппроксимацию наклонной дальности между, по меньшей мере, одной радарной антенной (16) и одним транспондером (14) посредством нелинейной функции, прежде всего в особом случае квадратичной функции, прежде всего в особом случае аппроксимации наклонной дальности r с использованием следующей нелинейной функции:
$$\tilde{r}\left({\underset{\_}{x}}_{U,k}\right)=r\left({\underset{\_}{x}}_{U,k}^{-}\right)+{\left({\underset{\_}{x}}_{U,k}-{\underset{\_}{x}}_{U,k}^{-}\right)}^T\nabla r\left({\underset{\_}{x}}_{U,k}^{-}\right)+\frac{1}{2}{\left({\underset{\_}{x}}_{U,k}-{\underset{\_}{x}}_{U,k}^{-}\right)}^{T}H\left({\underset{\_}{x}}_{U,k}^{-}\right)\left({\underset{\_}{x}}_{U,k}-{\underset{\_}{x}}_{U,k}^{-}\right)$$ ,
где $${\underset{\_}{x}}_{U,k}$$ - трехмерный вектор позиции в момент времени k между транспондером (14) и радарной антенной (16), где $${\underset{\_}{x}}_{U,k}^{-}$$ - текущая точка приближения, где $$\nabla r\left({\underset{\_}{x}}_{U,k}^{-}\right)$$ - вектор частной производной от r в точке $${\underset{\_}{x}}_{U,k}^{-}$$ , и где $$H\left({\underset{\_}{x}}_{U,k}^{-}\right)$$ - матрица второй частной производной от r в точке $${\underset{\_}{x}}_{U,k}^{-}$$ .

13. Способ по п.12, отличающийся тем, что нелинейная фильтрация (36, 37) для решения нелинейной проблемы фильтрации использует для оптимизации нелинейный способ оптимизации, прежде всего сигма-точечный фильтр Калмана или фильтр 2-го порядка.