СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАЧАЛЬНОЙ ОРИЕНТАЦИИ ОБЪЕКТА Российский патент 2024 года по МПК G01C21/06 G01S19/01 

Изобретение относится к области точного приборостроения и может быть использовано при создании систем начальной ориентации различных объектов на основе использования спутниковых измерений.

Известны способы определения начальной ориентации на основе спутниковых измерений, использующие для определения углов ориентации объекта относительно выбранной системы координат (географической или геоцентрической) фазовые измерения спутниковой группировки [Г.И. Емельянцев, А.П. Степанов, Б.А. Блажнов, И.В. Семёнов. О повышении точности GPS-компаса для малоразмерных объектов // Гироскопия и навигация. 2015. №1. С.18-28; Э.M. Шахин. Математический анализ фазовых погрешностей в схеме слежения приемника GPS при помехах разного рода // Гироскопия и навигация. 2018. №3. С. 40-53; И.О. Митрахович. Система определения углов ориентации объектов в пространстве на основе метода RTK // Интеллектуальные и сенсорные системы – 2016: Сборник научных трудов по материалам Республиканской научно-технической конференции [Электронный ресурс] / Минск: БНТУ, 2016; В.Н. Тяпкин, Е.Н. Гарин. Методы определения навигационных параметров подвижных средств с использованием спутниковой радионавигационной системы ГЛОНАСС / Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2012. 260 с.; Г.И. Емельянцев, А.П. Степанов, Б.А. Блажнов. О начальной выставке и оценке погрешностей измерительного модуля БИНС с использованием спутниковых фазовых измерений // Гироскопия и навигация. 2019. №1. С.47-60]. Недостатками их являются сложность решения проблемы неоднозначности фазовых определений, связанные с ней существенные вычислительные затраты и критичное влияние шумов фазовых определений на общую точность оценки углов начальной ориентации. Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ, состоящий в вычислении разностей фазовых измерений с последующим их комплексированием с измерениями ИНС и обработкой общего вектора измерений в фильтре Калмана для определения искомых параметров ориентации [D.Kaleev, A.Pereverzev, Yu.Savchenko, A.Silantiev. Error estimation and selection of inertial navigation system parameters for uncoupled integration with multi-antenna systems // 2016 IEEE NW Russia Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering Conference (EIConRusNW). Р.414-417]. Недостатками данного способа являются существенные вычислительные затраты, обусловленные двухэтапной процедурой обработки спутниковых измерений, аппаратурные затраты в силу необходимости использования ИНС и низкая точность, обусловленная погрешностями чувствительных элементов ИНС (для которой, в свою очередь, необходима своя начальная выставка).

Заявленное изобретение направлено на решение задач снижения вычислительных и аппаратурных затрат и повышения точности определения азимута объекта.

Поставленная задача возникает при разработке навигационных систем и систем начальной ориентации различных объектов.

Для обеспечения высокой точности определения азимута объекта предлагается способ, заключающийся в том, что по показаниям размещенных на жестком основании двух спутниковых навигационных приемников (СНП), один из которых расположен в центре масс объекта, а другой – на известном расстоянии от него в направлении оси крена, в режиме высокоточного позиционирования определяются координаты обоих СНП в геоцентрической системе координат, по значениям которых определяется косинус вертикального угла, образованного в геоцентрической системе координат векторами, лежащими между точками расположения СНП и между началом геоцентрической системы координат и центра масс объекта, определяемый как отношение разности скалярного произведения векторов, определяющих положение обоих СНП в геоцентрической системе координат, и квадрата расстояния центра масс объекта от начала геоцентрической системы координат к произведению расстояния между СНП на расстояние центра масс объекта от начала геоцентрической системы координат, после чего осуществляется разворот основания с СНП относительно центра масс объекта в плоскость горизонта на основе текущего определения значений косинуса вертикального угла по измеренным текущим геоцентрическим координатам второго СНП до момента равенства единице данного косинуса, после которого по показаниям обоих СНП определяются их географические координаты (широта и долгота), а по географическим координатам СНП определяется угол азимута оси крена объекта как азимут ортодромии, лежащей между точками расположения СНП, в ее начальной точке - точке центра масс объекта.

Для описания существа способа определения начальной ориентации используем следующие системы координат (СК) (фиг.1):

- геоцентрическую СК (ГцСК) с началом в центре Земли, ось которой лежит в плоскости нулевого меридиана, ось совпадает с осью вращения Земли, а ось дополняет систему координат до правой,

- географическую СК (ГСК) OXYZ с началом в центре масс (ЦМ) объекта, ось которой лежит в плоскости местного меридиана и направлена на Север, ось направлена от центра Земли, а ось дополняет систему координат до правой (на фиг.1 обозначены: широта, долгота ЦМ объекта),

- приборную СК (ПСК) с началом в ЦМ объекта, оси которой при отсутствии углов разворота относительно ГСК совпадают с соответствующими (одноименными) осями ГСК.

В данном способе угол азимутальной ориентации ПСК, связанной с объектом, определяется по показаниям размещенных на жестком основании двух спутниковых навигационных приемников (СНП), один из которых расположен в ЦМ объекта, а другой – на известном расстоянии L от него в направлении оси (оси крена) ПСК.

СНП работают в режиме высокоточного позиционирования (в частности, RTK, например, сетевом или инверсном), обеспечивая, тем самым, сантиметровую (при долговременном позиционировании - миллиметровую) точность определения их координат в ГцСК: - координаты первого СНП, - координаты второго (фиг. 1). Полученные по спутниковым измерениям координаты обоих СНП позволяют определить угол азимута α следующим образом.

Первоначально определяется косинус угла , образованного в ГцСК векторами, лежащими между точками расположения СНП и между началом ГцСК и ЦМ объекта (фиг. 1):

Если ЦМ объекта расположен непосредственно на сфере Земли, то с учетом очевидного соотношения , а также того обстоятельства, что значение равно известному и неизменному (по условию) расстоянию L между СНП, определение косинуса угла упрощается:

После определения осуществляется разворот основания с размещенными на нем СНП относительно ЦМ объекта в плоскость горизонта на основе текущего определения координат второго СНП - до момента выполнения равенства . По достижении данного равенства вектор, лежащий между точками расположения СНП , оказывается в плоскости горизонта, представляя собой линию ортодромии, лежащую между точками с географическими координатами (широтой и долготой ), определяемыми по геоцентрическим координатам как: .

Физический смысл приведения в плоскость горизонта состоит в обеспечении максимальной длины линии ортодромии при фиксированном расстоянии L между СНП – в других положениях основания относительно плоскости горизонта величина проекции вектора на сферу Земли (длина ортодромии) будет меньше, что приведет к росту погрешности определения азимута.

После операции приведения в плоскость горизонта угол азимута α определяется как азимут ортодромии, лежащей между точками расположения СНП, в точке ЦМ объекта (точке расположения первого СНП):

.

Таким образом, предложенный способ состоит в том, что по показаниям размещенных на жестком основании двух СНП, один из которых расположен в ЦМ объекта, а другой – на известном расстоянии от него в направлении оси крена, в режиме высокоточного позиционирования (например, RTK) определяются их координаты в ГцСК, по которым определяется косинус вертикального угла, образованного в ГцСК векторами, лежащими между точками расположения СНП и между началом ГцСК и ЦМ объекта. После определения косинуса вертикального угла осуществляется разворот основания с СНП относительно ЦМ объекта в плоскость горизонта на основе текущего определения его значений по измеренным текущим координатам в ГцСК второго СНП до момента равенства единице данного косинуса. По достижении равенства единице косинуса вертикального угла по показаниям обоих СНП определяются их географические координаты (широта и долгота), после чего угол азимута оси крена объекта определяется как азимут ортодромии, лежащей между точками расположения СНП, в ее начальной точке - точке ЦМ объекта (точке расположения первого СНП).

Оценка максимальной погрешности определения угла азимута производилась путем вычисления полного дифференциала функции с последующей заменой дифференциалов на конечные приращения , равные максимальным ошибкам определения координат . Проведенные вычисления при погрешностях ( т.е. ), обеспечиваемых СНП в режиме RTK, показали, что при разнесении СНП на L=1м ошибки определения угла азимута не превышают 10^-3 рад, а при L=10м соответственно, 10^-4 рад. Это позволяет использовать предложенный способ для определения начальной ориентации с требуемой для соответствующих объектов точностью (определяемой их габаритами и временем позиционирования) с минимальными на сегодняшний день вычислительными и аппаратурными затратами.

Изобретение относится к области точного приборостроения и может применяться в системах начальной ориентации объектов. Сущность способа состоит в том, что по показаниям размещенных на жестком основании двух спутниковых навигационных приемников (СНП) определяют координаты обоих СНП в геоцентрической системе координат (СК), по значениям которых определяется косинус вертикального угла, образованного в геоцентрической СК векторами, лежащими между точками расположения СНП и между началом геоцентрической СК и центра масс объекта, после чего осуществляют разворот основания с СНП относительно центра масс объекта в плоскость горизонта на основе текущего определения значений косинуса вертикального угла по измеренным текущим геоцентрическим координатам второго СНП до момента равенства единице данного косинуса. Затем по показаниям обоих СНП определяются их географические координаты (широта и долгота), а по географическим координатам СНП определяется угол азимута оси крена объекта как азимут ортодромии, лежащей между точками расположения СНП, в её начальной точке - точке центра масс объекта. Техническим результатом изобретения является повышение точности определения азимута объекта. 1 ил.

Способ определения начальной ориентации объекта, заключающийся в том, что по показаниям размещенных на жестком основании двух спутниковых навигационных приемников (СНП), один из которых расположен в центре масс объекта, а другой – на известном расстоянии от него в направлении оси крена, в режиме высокоточного позиционирования определяются координаты обоих СНП в геоцентрической системе координат, по значениям которых определяется косинус вертикального угла, образованного в геоцентрической системе координат векторами, лежащими между точками расположения СНП и между началом геоцентрической системы координат и центра масс объекта, определяемый как отношение разности скалярного произведения векторов, определяющих положение обоих СНП в геоцентрической системе координат, и квадрата расстояния центра масс объекта от начала геоцентрической системы координат к произведению расстояния между СНП на расстояние центра масс объекта от начала геоцентрической системы координат, после чего осуществляется разворот основания с СНП относительно центра масс объекта в плоскость горизонта на основе текущего определения значений косинуса вертикального угла по измеренным текущим геоцентрическим координатам второго СНП до момента равенства единице данного косинуса, после которого по показаниям обоих СНП определяются их географические координаты - широта и долгота, а по географическим координатам СНП определяется угол азимута оси крена объекта как азимут ортодромии, лежащей между точками расположения СНП, в ее начальной точке - точке центра масс объекта.