Способ определения координат группы летательных аппаратов при межсамолетной навигации Российский патент 2020 года по МПК G01C23/00 G01C21/00 G01S13/933 

Изобретение относится к области навигации летательных аппаратов (ЛА) и предназначено для повышения точности определения координат при выполнении ими групповых полетов строем.

Известен способ определения локальных координат автономного движущегося устройства (АДУ) в составе системы сбора данных, характеризующих ограниченное пространство произвольной геометрии и размещенные в нем объекты, имеющей в своем составе управляющую станцию, по меньшей мере, два АДУ и стартовую площадку, включающий: размещение в указанном ограниченном пространстве произвольной геометрии базовой метки (БМ) отсчета локальных координат и, по меньшей мере, двух АДУ, каждое из которых включает модуль определения локальных координат; определение первичной локальной координаты для каждого АДУ относительно базовой метки посредством взаимодействия модуля определения локальных координат с базовой меткой; корректировку локальных координат движущегося АДУ, полученных на основе данных модуля определения локальных координат АДУ, посредством взаимодействия с базовой меткой, если базовая метка находится в зоне прямой видимости указанного АДУ или, если базовая метка не находится в зоне прямой видимости указанного АДУ, с модулем определения локальных координат другого АДУ, для которого базовая метка находится в зоне прямой видимости, с по существу одновременным беспроводным обменом данными между АДУ и БМ о координатах АДУ, причем в зоне видимости базовой метки находится по меньшей мере одно АДУ [1].

Недостатками известного способа являются выполнение действий в ограниченном пространстве и необходимость наличия неподвижного ориентира.

Известны способы определения относительного положения ЛА при межсамолетной навигации, предусматривающие для каждого ЛА определение относительного положения соседних ЛА по отношению к данному ЛА первым и вторым способами, совместную комплексную обработку информации об относительном положении ЛА, полученной первым и вторым способами. Первый способ предусматривает определение навигационной информации каждым ЛА, передачу и прием ее через каналы информационного обмена ЛА, а второй способ предусматривает определение радиолокационной информации путем передачи и приема зондирующих сигналов каждым ЛА через приемоизлучающую антенну для определения относительных координат соседних ЛА, при этом в первом способе определения относительного положения соседних ЛА по отношению к данному ЛА дополнительно определяют углы ориентации данного ЛА, а во втором способе определения относительного положения соседних ЛА по отношению к данному ЛА формируют, исходя из навигационной информации, вектор положения приемоизлучающей антенны для каждого ЛА в локальной системе координат с учетом упомянутых углов ориентации, передают в общем информационном пакете данного ЛА сообщение о координатах упомянутого вектора положения антенны другим ЛА, выполняют прием упомянутых сообщений соседних ЛА, вычисляют разности векторов положения приемоизлучающих антенн данного и соседних ЛА, с помощью которых вычисляют уточненные относительные координаты соседних ЛА, и используют упомянутые уточненные относительные координаты в комплексной обработке информации об относительном положении ЛА для формирования уточненного относительного положения соседних ЛА по отношению к данному ЛА, при этом погрешность второго способа определения относительного положения ЛА зависит от величин модулей векторов положения антенн данного и соседнего ЛА [2-4].

Общим недостатком данных способов является отсутствие действий направленных на повышение точности определения собственных координат ЛА, учитывая полученные относительные координаты.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является способ коррекции счисленных координат группы ЛА, согласно которому для повышения точности определения координат при полетах ЛА над безориентирной местностью на каждом ЛА, находящемся в строю, измеряют параметры относительного местоположения впереди летящего ближайшего ЛА, последовательно от одного конца строя к другому уточняют координаты каждого ЛА за счет выполнения рекуррентной обработки вектора наблюдения и передают их следующему ближайшему ЛА для уточнения координат последнего. Вектор наблюдения формируют как разность между вектором счисленных координат ЛА и вектором рассчитанных координат по измеренным или принятым параметрам относительного местоположения и составляющим скорости ЛА, а также принятым координатам ближайшего ЛА. Через определенное число шагов рекуррентной обработки на каждом ЛА, находящемся в строю, выполняют коррекцию счисленных координат и принимают откорректированные координаты в качестве опорной точки, относительно которой производят счисление координат до момента последующей коррекции [5].

Недостатком прототипа является низкая точность определения координат из-за ограничения, заключающегося в измерении взаимных координат относительно единственного ближайшего последующего или предыдущего в строю ЛА.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение точности определения координат ЛА.

Технический результат заключается в повышении точности навигации ЛА, действующих в составе группы, средствами межсамолетной навигации за счет выполнения алгоритма обработки навигационных параметров ЛА, полученных от автономных навигационных систем и систем межсамолетной навигации.

Сущность изобретения заключается в том, что при движении группы ЛА вдоль заданной траектории без локальных ориентиров на каждом шаге оценивания определяют навигационные параметры, включающие собственные координаты, собственные скорости и относительное местоположение ЛА относительно другого ЛА, путем формирования вектора наблюдений и осуществления коррекции счисленных навигационных параметров путем рекуррентной обработки. На каждом шаге оценивания на каждом ЛА формируются векторы собственных наблюдений координат и скоростей, при этом вектор собственных наблюдений координат состоит из измеренных собственных декартовых координат и набора наблюдений за взаимными координатами, определяемыми как разность собственных координат и данных, полученных средствами межсамолетной навигации о координатах других, находящихся в зоне видимости приборов, ЛА в группе, а вектор собственных наблюдений скоростей состоит из измеренных собственных скоростей и набора наблюдений за взаимными скоростями, определяемыми как разность собственных скоростей и данных, полученных средствами межсамолетной навигации о скоростях других, находящихся в зоне видимости приборов, ЛА в группе, затем векторы собственных наблюдений координат и скоростей, а также погрешности таких наблюдений передаются по каналам связи всем ЛА в группе, после чего на каждом ЛА формируются векторы наблюдений координат и скоростей группы ЛА, которые включают векторы наблюдений координат и скоростей всех ЛА взаимодействующих в группе, и ковариационные матрицы ошибок наблюдений, включающие дисперсии погрешностей определения собственных и взаимных навигационных параметров, затем на каждом шаге оценивания на основе заранее заданных матриц оптимальных коэффициентов происходит вычисление оптимальных, в плане минимума ошибок, независимых от предыдущих состояний статических оценок навигационных параметров и ковариационных матриц ошибок статического оценивания, после этого на каждом шаге оценивания на каждом ЛА происходит выделение из векторов навигационных параметров группы собственных координат и скоростей и их последующая обработка двумерным фильтром Калмана путем экстраполирования навигационных параметров, основанным на модели динамического изменения состояния координат и скоростей, формирования ошибок оценки параметров как разностей между статической оценкой и экстраполированными значениями навигационных параметров, вычисления ковариационных матриц ошибок экстраполяции и ошибок оценивания параметров навигации одного ЛА. Полученные ошибки оценивания навигационных параметров применяют при формировании управляющих сигналов на каждом ЛА для коррекции траектории движения ЛА.

Способ определения координат группы ЛА при межсамолетной навигации заключается в следующем. На каждом шаге оценивания на каждом ЛА формируются векторы собственных наблюдений координат и скоростей, при этом вектор собственных наблюдений координат состоит из измеренных собственных декартовых координат и набора наблюдений за взаимными координатами, определяемыми как разность собственных координат и данных, полученных средствами межсамолетной навигации о координатах других, находящихся в зоне видимости приборов, ЛА в группе, а вектор собственных наблюдений скоростей состоит из измеренных собственных скоростей и набора наблюдений за взаимными скоростями, определяемыми как разность собственных скоростей и данных, полученных средствами межсамолетной навигации о скоростях других, находящихся в зоне видимости приборов, ЛА в группе. Векторы собственных наблюдений координат и скоростей, а также погрешности таких наблюдений передаются по каналам связи всем ЛА в группе. После обмена информацией о навигационных параметрах каждого ЛА в строю на каждом ЛА формируются векторы наблюдений координат и скоростей группы ЛА, которые включают векторы наблюдений координат и скоростей всех ЛА взаимодействующих в группе, при этом векторы наблюдений за координатами и скоростями имеют ковариационные матрицы ошибок наблюдений, включающие дисперсии погрешностей определения собственных и взаимных навигационных параметров. Затем на каждом шаге оценивания на основе заранее заданных матриц оптимальных коэффициентов происходит вычисление оптимальных, в плане минимума ошибок, независимых от предыдущих состояний статических оценок навигационных параметров и ковариационных матриц ошибок статического оценивания. После этого на каждом шаге оценивания на каждом ЛА происходит выделение из векторов навигационных параметров группы собственных координат и скоростей и их последующая обработка двумерным фильтром Калмана путем экстраполирования навигационных параметров, основанным на модели динамического изменения состояния координат и скоростей, формирования ошибок оценки параметров как разностей между статической оценкой и экстраполированными значениями навигационных параметров, вычисления ковариационных матриц ошибок экстраполяции и ошибок оценивания параметров навигации одного ЛА [6]. Полученные ошибки оценивания навигационных параметров применяются при формировании управляющих сигналов на каждом ЛА для коррекции траектории движения ЛА.

Исследования методом математического моделирования работы алгоритма, реализующего заявляемый способ, показали, что эффективность предлагаемого решения повышается при увеличении количества ЛА в строю. Зависимость точности оценивания навигационных параметров от величины внешних неконтролируемых воздействий уменьшается при повышении точности систем межсамолетной навигации.

По сравнению с известным решением заявленный способ позволяет значительно повысить точность определения координат при полетах ЛА строем.

Источники информации:

1. Пат. 2683993 Российская Федерация, МПК G01S 5/00. Способ определения локальных координат и система для осуществления указанного способа [Текст] / Кононов В. В., Тихоновский В. Л., Мариненков Д. В. [и др.] ; заявитель ООО «НЕОСФЕРА» ; заявл. 23.01.2018 ; опубл. 03.04.2019. Бюл. № 10. – 23 с. : ил.

2. Пат. 2606241 Российская Федерация, МПК G01C 21/00, G01S 5/14. Способ определения относительного положения летательных аппаратов при межсамолетной навигации [Текст] / Бабуров С. В., Гальперин Т. Б., Герчиков А. Г. [и др.] ; заявитель ЗАО «ВНИИРА-Навигатор» ; заявл. 21.07.2015 ; опубл. 10.01.2017. Бюл. № 1. – 22 с. : ил.

3. Пат. 7024309 Соединенные Штаты Америки, МПК G01S 13/93. Autonomous station keeping system for formation flight [Текст] /
PAUL M . DOANE ; заявитель The United States of America as represented by the Secretary of the Air Force ; заявл. 28.08.2003 ; опубл. 04.04.2006. – 11 с. : ил.

4. Пат. 6926233 Соединенные Штаты Америки, МПК B64C 3/0, B64C 9/00. Automatic formation flight control system (AFFCS) –a system for automatic formation flight control of vehicles not limited to aircraft, helicopters, or space platforms [Текст] / James John Corcoran ; заявитель James John Corcoran ; заявл. 21.02.2004 ; опубл. 09.08.2005. – 8 с. : ил.

5. Пат. 2091713 Российская Федерация, МПК G01C 23/00. Способ коррекции счисленных координат группы летательных аппаратов [Текст] / Тютелев В. В., Ксеновонтов В. Е., Ободников С. Б. ; заявитель Ксеновонтов В. Е. ; заявл. 02.04.1992 ; опубл. 27.09.1997.

6. Васильев К.К. Оптимальная обработка сигналов в дискретном времени: Учеб. пособие. – М.: Радиотехника, 2016. – 288 с.: ил.

Изобретение относится к области навигации летательных аппаратов (ЛА). Технический результат заключается в повышении точности навигации ЛА, действующих в составе группы. При движении группы ЛА вдоль заданной траектории на каждом шаге оценивания определяют навигационные параметры путем формирования вектора наблюдений и осуществления коррекции счисленных навигационных параметров путем рекуррентной обработки. На каждом шаге оценивания в каждом ЛА формируются векторы собственных наблюдений координат и скоростей, при этом вектор собственных наблюдений координат состоит из измеренных собственных декартовых координат и набора наблюдений за взаимными координатами, определяемыми как разность собственных координат и данных, полученных средствами межсамолетной навигации о координатах других находящихся в зоне видимости приборов ЛА в группе. Вектор собственных наблюдений скоростей состоит из измеренных собственных скоростей и набора наблюдений за взаимными скоростями, определяемыми как разность собственных скоростей и данных, полученных средствами межсамолетной навигации о скоростях других находящихся в зоне видимости приборов ЛА в группе, затем векторы собственных наблюдений координат и скоростей, а также погрешности таких наблюдений передаются по каналам связи всем ЛА в группе, после чего на каждом ЛА формируются векторы наблюдений координат и скоростей группы ЛА, которые включают векторы наблюдений координат и скоростей всех ЛА в группе, и ковариационные матрицы ошибок наблюдений, затем на каждом шаге оценивания на основе заранее заданных матриц оптимальных коэффициентов происходит вычисление оптимальных в плане минимума ошибок независимых от предыдущих состояний статических оценок навигационных параметров и ковариационных матриц ошибок статического оценивания, после этого на каждом шаге оценивания в каждом ЛА происходит выделение из векторов навигационных параметров группы собственных координат и скоростей и их последующая обработка для формирования ошибок оценки параметров, вычисления ковариационных матриц ошибок экстраполяции и ошибок оценивания параметров навигации одного ЛА. Полученные ошибки оценивания навигационных параметров применяют при формировании управляющих сигналов на каждом ЛА для коррекции траектории движения ЛА.

Способ определения координат группы летательных аппаратов при межсамолетной навигации, в котором при движении группы летательных аппаратов вдоль заданной траектории без локальных ориентиров на каждом шаге оценивания определяют навигационные параметры, включающие собственные координаты, собственные скорости и относительное местоположение летательных аппаратов относительно другого летательного аппарата, путем формирования вектора наблюдений и осуществления коррекции счисленных навигационных параметров путем рекуррентной обработки, отличающийся тем, что на каждом шаге оценивания на каждом летательном аппарате формируются векторы собственных наблюдений координат и скоростей, при этом вектор собственных наблюдений координат состоит из измеренных собственных декартовых координат и набора наблюдений за взаимными координатами, определяемыми как разность собственных координат и данных, полученных средствами межсамолетной навигации о координатах других находящихся в зоне видимости приборов летательных аппаратов в группе, а вектор собственных наблюдений скоростей состоит из измеренных собственных скоростей и набора наблюдений за взаимными скоростями, определяемыми как разность собственных скоростей и данных, полученных средствами межсамолетной навигации о скоростях других находящихся в зоне видимости приборов летательных аппаратов в группе, затем векторы собственных наблюдений координат и скоростей, а также погрешности таких наблюдений передаются по каналам связи всем летательным аппаратам в группе, после чего на каждом летательном аппарате формируются векторы наблюдений координат и скоростей группы летательных аппаратов, которые включают векторы наблюдений координат и скоростей всех летательных аппаратов, взаимодействующих в группе, и ковариационные матрицы ошибок наблюдений, включающие дисперсии погрешностей определения собственных и взаимных навигационных параметров, затем на каждом шаге оценивания на основе заранее заданных матриц оптимальных коэффициентов происходит вычисление оптимальных в плане минимума ошибок, независимых от предыдущих состояний статических оценок навигационных параметров и ковариационных матриц ошибок статического оценивания, после этого на каждом шаге оценивания на каждом летательном аппарате происходит выделение из векторов навигационных параметров группы собственных координат и скоростей и их последующая обработка двумерным фильтром Калмана путем экстраполирования навигационных параметров, основанным на модели динамического изменения состояния координат и скоростей, формирования ошибок оценки параметров как разностей между статической оценкой и экстраполированными значениями навигационных параметров, вычисления ковариационных матриц ошибок экстраполяции и ошибок оценивания параметров навигации одного летательного аппарата, после чего полученные ошибки оценивания навигационных параметров применяют при формировании управляющих сигналов на каждом летательном аппарате для коррекции траектории движения летательных аппаратов.