СПОСОБ НАВИГАЦИИ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ Российский патент 2025 года по МПК G01C21/20 G01S5/02 

Изобретение относится к области радиолокационной техники и может быть использовано при построении различных радиолокационных или аналогичных систем, предназначенных для определения местоположения летательных аппаратов с использованием радиоволн и управления движением летательных аппаратов.

В основе радиолокационных систем навигации лежат корреляционно-экстремальные способы навигации (КЭСН) для управления движением ЛА, обеспечивающие отыскание и слежение за оптимальным режимом движения ЛА [Белоглазов И.Н., Джанджгава Г.И., Чигин Г.П. Основы навигации по геофизическим полям. - М.; Наука, 1985, - 328 С.(С. 10-11, 19-22, 25-26, 30-34)]. При этом используют свойство корреляционной функции достигать максимума при нулевом значении аргумента. КЭСН обеспечивают измерение показателей режима движения ЛА, обработку указанной информации и выработку управляющего воздействия для коррекции координат местоположения ЛА. Наиболее часто используют КЭСН, основанные на сравнении текущих карт местности по геофизическим полям, полученных с использованием радиоволн, с эталонными картами той же местности, находящимися на ЛА, с помощью которых определяют местоположение ЛА и управляют движением ЛА путем коррекции их местоположения. Эталонные карты составляют и размещают на ЛА до начала движения над заданной поверхностью местности, а текущие получают во время движения ЛА. Сравнение путем наложения эталонных и текущих карт местности в последовательных точках траектории движения ЛА позволяет определить отклонение фактической траектории от заданной. Результатом указных операций является выработка поправки в координаты ЛА с целью коррекции движения ЛА.

Сравнение эталонной и текущей карт осуществляется посредством вычисления функционалов, достигающих глобального экстремума при полном совмещении карт. Для обработки информации наиболее предпочтительными являются разностные алгоритмы [Белоглазов И.Н., Джанджгава Г.И., Чигин Г.П. Основы навигации по геофизическим полям. - М: Наука, 1985. - 328 С. (С. 10-11, 19-22, 25-26, 30-34)].

Известен способ навигации летательных аппаратов [Ржевкин В.А. Автономная навигация по картам местности // Зарубежная радиоэлектроника. - 1981. - N 10. - С. 3-28], использующийся в корреляционно-экстремальных системах навигации и заключающийся в определении местоположения ЛА с использованием радиоволн, излучаемых в виде одного луча (далее: радиоволн в виде луча), позволяющий снимать информацию о текущих точках траектории движения.

Реализация способа заключается в следующем.

Используют информацию эталонной карты местности о навигационном поле земли, которая до начала движения находится на ЛА.

Выбирают участок местности (мерный участок), который определяется величиной допустимых отклонений ЛА по дальности (квадрат неопределенности).

Измеряют с использованием одного луча радиоволн значения высот («т» означает принадлежность к текущей карте) от ЛА до рельефа мерного участка в точках текущих измерений i (i=1, 2, 3, …I) траектории движения ЛА.

Вычисляют отклонения после прохождения ЛА мерного участка высот измеренных с помощью радиоволн, от высот H_oi, измеренных бародатчиком (абсолютная высота), в точках траектории движения ЛА.

Составляют для мерного участка текущую карту на основе вычисленных высот рельефа после прохождения мерного участка, то есть получают карту высот рельефа мерного участка (плановые координаты мерного участка), для составления которой используют данные о скорости ЛА и углах эволюций (тангаж, крен и курс), поступающих с периодом Т_с.

Определяют на основе эталонной карты местности трассы («э» означает принадлежность к эталонной карте), направленные вдоль мерного участка с шагом k (k=1, 2, 3, …K) поперек мерного участка, соответствующим шагу эталонной карты (плановые координаты эталонной карты).

Совмещают текущую и эталонную карты исследуемой местности.

Сравнивают текущую и эталонную карты путем корреляционно-экстремальной обработки результатов реализаций с использованием разностных алгоритмов КЭСН.

Вычисляют сигнал коррекции местоположения ЛА на основе анализа взаимных смещений эталонной и текущей карт местности мерного участка.

Управляют движением ЛА путем коррекции его местоположения.

Недостатками способа является следующее.

Выработка сигнала коррекции только после пролета всего мерного участка.

Необходимость измерения абсолютной высоты ЛА над нулевым уровнем Н_О эталонной карты, а также необходимость в дополнительных вычислениях для определения средних уровней высот измеренной карты и эталонной карты, что не позволяет реализовать скользящую обработку поступающих данных.

Отсутствие информации о текущем местоположении ЛА в процессе движения над мерным участком (участок измерений), поскольку обработка измеренной информации осуществляется только после пролета всего мерного участка.

Недостатком способа-аналога также является возможность навигации летательных аппаратов только при отсутствии угловых колебаний летательного аппарата, значения которых превышают сектор углов, в котором находится луч, или при отсутствии вращения летательного аппарата вокруг своей оси. При наличии угловых колебаний летательного аппарата, значения которых превышают сектор углов, в котором находится луч, или при наличии вращения летательного аппарата вокруг своей оси результаты измерений высот от ДА до рельефа мерного участка в точках текущих измерений траектории движения ЛА могут быть недостоверны и реализация способа-аналога невозможна.

Известен способ навигации ЛА [Патент 2739872 РФ, МПК G01C 21/20, G01S 5/02. Способ навигации летательных аппаратов / Хрусталев А.А., Куликов Ю.М. // Изобретения. - 2020. - N 1 от 29.12.2020 г.], выбранный за прототип. Способ-прототип заключается в следующем.

Используют информацию эталонной карты местности (значения плановых координат эталонной карты), установленной на ЛА до проведения измерений, о навигационном поле земли.

Выбирают участок местности эталонной карты, который представляет собой мерный участок.

Составляют текущую карту путем вычисления в режиме измерений плановых координат мерного участка на основе циклических измерений наклонных дальностей с помощью N лучей радиоволн, расположенных в связанной системе координат в плоскости, перпендикулярной направлению движения ЛА, в заданном секторе углов распространения лучей, в котором находятся лучи с первого по (N)-й.

Уточняют перед каждым циклом измерений отклонение направления нормальной оси связанной системы координат от вертикали.

Определяют луч, направление распространения которого наиболее близко к вертикали.

Используют в текущем цикле измерений наклонных дальностей до исследуемой поверхности этот луч в качестве центрального при излучении лучей и определении разности результатов многолучевых измерений наклонных дальностей.

Определяют по результатам многолучевых измерений значения плановых координат текущей карты.

Сравнивают значения плановых координат текущей и эталонной карт.

Определяют местоположение летательного аппарата.

Вычисляют сигнал коррекции траектории движения летательного аппарата.

Управляют движением летательного аппарата путем коррекции его местоположения.

В способе-прототипе для определения координат местоположения ЛА по результатам измерений наклонных дальностей по центральному и боковым лучам необходимо выполнение условия - отсутствие угловых колебаний летательного аппарата, значения которых превышают сектор углов, в котором находятся лучи, или отсутствие вращения летательного аппарата вокруг своей оси.

При максимальном значении угловых колебаний ЛА, значения которых превышают сектор углов, в котором находятся лучи, или при вращении летательного аппарата вокруг своей оси за центральный луч может быть принят один из крайних боковых лучей, при этом угол между данным лучом и вертикалью будет иметь значительную величину. Результаты измерений наклонных дальностей до рельефа мерного участка в точках текущих измерений траектории движения ЛА будут недостоверны, что не позволит корректно определить местоположение ЛА и вычислить сигнал коррекции траектории движения ЛА.

Таким образом, недостаток способа-прототипа - возможность навигации летательных аппаратов только при отсутствии угловых колебаний летательного аппарата, значения которых превышают сектор углов, в котором находятся лучи, или при отсутствии вращения летательного аппарата вокруг своей оси (только при условии, что вертикаль находится в секторе углов, в котором находятся лучи).

Техническим результатом предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей способа навигации летательных аппаратов.

Технический результат достигается тем, что в способе навигации летательных аппаратов, заключающемся в использовании эталонной карты местности как априорной информации о навигационном поле, выборе участка местности - мерного участка, находящегося в пределах эталонной карты, составлении в режиме измерений текущей карты путем вычисления плановых координат мерного участка на основе циклических измерений наклонных дальностей с помощью N лучей радиоволн, расположенных в связанной системе координат в плоскости, перпендикулярной направлению движения летательного аппарата, в заданном секторе углов распространения лучей, в котором находятся лучи с первого по (N)-й, уточнении перед каждым циклом измерений отклонения направления нормальной оси связанной системы координат от вертикали и определении луча, направление распространения которого наиболее близко к вертикали, использовании в текущем цикле измерений наклонных дальностей до исследуемой поверхности этого луча в качестве центрального при излучении лучей, и определении разности результатов многолучевых измерений наклонных дальностей, определении значений плановых координат текущей карты, сравнении значений плановых координат текущей и эталонной карт, определении местоположения летательного аппарата, вычислении сигнала коррекции траектории движения и управлении движением летательного аппарата путем коррекции его местоположения, перед каждым циклом режима измерений перед излучением лучей проверяют наличие вертикали в заданном секторе углов распространения лучей, проверку продолжают до подтверждения наличия вертикали в секторе углов распространения лучей со второго по (N-1)-й, после чего проводят цикл режима измерений.

Способ навигации реализуется следующим образом.

Реализацию способа навигации ЛА рассмотрим на примере составления текущей карты с помощью N лучей радиоволн (число лучей нечетное, составляет не менее трех с равными углами между лучами).

Используют информацию эталонной карты местности (значения плановых координат эталонной карты) о навигационном поле земли, установленной на ЛА до проведения измерений.

Выбирают участок местности эталонной карты, который представляет собой мерный участок и определяется величиной допустимых отклонений ЛА по дальности (квадрат неопределенности).

Составляют текущую карту местности (режим измерений) за время движения над мерным участком, для составления которой используют данные об циклически измеренных значениях наклонной дальности с помощью N лучей, расположенных в связанной системе координат в плоскости, перпендикулярной направлению движения ЛА, в заданном секторе углов распространения лучей, в котором находятся лучи с первого по (N)-й, а также значения скорости и углы эволюций ЛА, поступающие от иных средств измерений.

Перед началом каждого цикла режима измерений до излучения лучей проверяют наличие вертикали в заданном секторе углов распространения лучей, в котором находятся лучи с первого по (N)-й, для чего определяют направления распространения лучей со второго по (N-1)-й.

Подтверждают наличие вертикали в заданном секторе углов распространения лучей, если вертикаль находится в секторе углов распространения лучей, в котором находятся лучи со второго по (N-1)-й, или продолжают проверку наличия вертикали в заданном секторе углов распространения лучей, если вертикаль находится вне сектора углов распространения лучей, в котором находятся лучи со второго по (N-1)-й, проверку продолжают до подтверждения наличия вертикали в заданном секторе углов распространения лучей.

После подтверждения наличия вертикали в заданном секторе углов распространения лучей переходят в режим измерений.

В начале каждого цикла режима измерений уточняют отклонение направления нормальной оси связанной системы координат от вертикали.

Определяют луч, направление распространения которого наиболее близко к вертикали. Используют в текущем цикле измерений наклонных дальностей до поверхности мерного участка этот луч в качестве центрального при излучении лучей и определении разности результатов многолучевых измерений наклонных дальностей наклонных дальностей до поверхности мерного участка.

В режиме измерений лучи излучают следующим образом. Вначале излучают центральный луч. Далее излучают лучи, направления распространения которых не совпадают с направлением распространения центрального луча, причем направления распространения одной части лучей находятся слева (по направлению движения ЛА) от центрального луча, а другой части - справа (по направлению движения ЛА) от центрального луча. Количество лучей справа и слева от центрального луча одинаковое. Углы между направлениями распространения соседних лучей одинаковые.

Определяют в текущем цикле измерений разность результатов многолучевых измерений наклонных дальностей для центрального луча и бокового луча слева от центрального, а также для центрального луча и бокового луча справа от центрального, для всех боковых лучей, имеющих симметричную излучаемую пару относительно центрального, в текущем цикле измерений наклонных дальностей.

Определяют по результатам многолучевых измерений значения плановых координат текущей карты.

Сравнивают значения плановых координат текущей и эталонной карт по завершении всех циклов измерений.

Для сравнения используют исходные данные в виде:

- эталонной карты, представляющей собой двумерный массив данных о рельефе местности, элементы которого являются высотами рельефа в узлах координатной сетки эталонной карты на плоскости;

- данных от иных средств измерений (включая данные об угловом положении ЛА в пространстве), отличных от полученных с помощью лучей радиоволн, поступающих перед каждым циклом измерений: значения угла крена, угла курса, угла тангажа, скорости ЛА;

- данных, обусловленных особенностями решаемой задачи (общее время измерений и интервала времени между измерениями);

- данных, определяемых конструкцией ЛА (угол между лучами радиоволн, углы и отклонения лучей от строительной оси изделия);

- текущей карты, представляющей собой набор значений наклонных дальностей по всем N лучам, полученных в каждом измерении.

Определяют местоположение летательного аппарата. Результатом обработки информации являются поправки к координатам местоположения ЛА в координатах эталонной карты с точностью до одной ячейки сетки эталонной карты.

Вычисляют сигнал коррекции траектории движения летательного аппарата.

Управляют движением летательного аппарата путем коррекции его местоположения.

Таким образом, реализация способа навигации ЛА позволяет получить следующее.

Расширение функциональных возможностей способа навигации летательных аппаратов за счет возможности навигации летательных аппаратов и при отсутствии, и при наличии как угловых колебаний летательного аппарата, значения которых превышают сектор углов, в котором находятся лучи, так вращения летательного аппарата вокруг своей оси.

При использовании алгоритма КЭСН для выполнения вычислений не требуется:

- измерение абсолютной высоты ЛА над нулевым уровнем эталонной карты;

- знание результатов измерений над всем мерным участком.

Данный дифференциально-разностный алгоритм позволяет проводить коррекцию местоположения ЛА уже после нескольких измерений наклонной дальности в процессе движения над мерным участком и может значительно сократить время, необходимое на выполнение алгоритма КЭСН.

Важно отметить, что рассмотренный способ навигации ЛА с предложенным алгоритмом сохраняет свои положительные свойства при различном количестве лучей радиоволн и обеспечивает работоспособность и для трех, и для большего количества (например, для пяти и более) лучей радиоволн. Применение многолучевого (количество лучей радиоволн составляет не менее трех) режима составления текущей карты местности позволяет осуществить наибольший охват исследуемой местности при минимальной ширине лучей радиоволн и наибольшем энергетическом потенциале.

Таким образом, способ навигации летательных аппаратов обладает существенными преимуществами перед аналогом и прототипом.

Изобретение относится к области радиолокационной техники и применяется при разработке радиолокационных систем, предназначенных для определения местоположения летательных аппаратов (ЛА). Сущность заявленного технического решения заключается в следующем. В способе навигации ЛА, включающем в себя вычисление в режиме измерений плановых координат мерного участка на основе циклических измерений наклонных дальностей в связанной системе координат в плоскости, перпендикулярной направлению движения ЛА, перед началом каждого цикла режима измерений проверяют наличие вертикали в заданном секторе углов, подтверждают наличие вертикали в заданном секторе углов и переходят в режим измерений или продолжают проверку наличия вертикали в заданном секторе углов, если вертикаль находится вне заданного сектора углов. Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей способа навигации ЛА.

Способ навигации летательных аппаратов, заключающийся в использовании эталонной карты местности как априорной информации о навигационном поле, выборе участка местности - мерного участка, находящегося в пределах эталонной карты, составлении в режиме измерений текущей карты путем вычисления плановых координат мерного участка на основе циклических измерений наклонных дальностей с помощью N лучей радиоволн, расположенных в связанной системе координат в плоскости, перпендикулярной направлению движения летательного аппарата, в заданном секторе углов распространения лучей, в котором находятся лучи с первого по N-й, уточнении перед каждым циклом измерений отклонения направления нормальной оси связанной системы координат от вертикали и определении луча, направление распространения которого наиболее близко к вертикали, использовании в текущем цикле измерений наклонных дальностей до исследуемой поверхности этого луча в качестве центрального при излучении лучей и определении разности результатов многолучевых измерений наклонных дальностей, определении значений плановых координат текущей карты, сравнении значений плановых координат текущей и эталонной карт, определении местоположения летательного аппарата, вычислении сигнала коррекции траектории движения и управлении движением летательного аппарата путем коррекции его местоположения, отличающийся тем, что перед каждым циклом режима измерений перед излучением лучей проверяют наличие вертикали в заданном секторе углов распространения лучей, проверку продолжают до подтверждения наличия вертикали в секторе углов распространения лучей со второго по (N-1)-й, после чего проводят цикл режима измерений.