УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ ДВИЖЕНИЯ ОБЪЕКТА ОТНОСИТЕЛЬНО ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ Советский патент 1996 года по МПК G01P3/42 

Изобретение относится к области определения скорости движения объекта, к определению линейной скорости с помощью магнитных средств.

Целью изобретения является увеличение точности определения скорости движения объекта относительно земной поверхности.

На фиг.1 представлена блок-схема предлагаемого устройства; на фиг.2 и 3
пространственно-временные диаграммы, поясняющие работу предлагаемого устройства, где Т'₁, T'₂. T_i+2 величины суммарного магнитного поля Земли (СМПЗ), измеряемые МЧЭ; T₁, T₂, T_i+2 значения стационарного геомагнитного поля в точках измерений; В₁, B₂. B_i величины переменного магнитного поля Земли (ПМПЗ) в моменты проведения измерений; S расстояние, проходимое движущимся объектом; l расстояние между МЧЭ; t₁, t₂. t_k моменты времени, в которые проводятся измерения; 1,2,3, (i+2) точки траектории объекта, где осуществляются измерения.

Устройство содержит магнитометры 1, 2 и 3 с магниточувствительными элементами (МЧЭ) 4, 5 и 6 соответственно, синхронизатор 7, счетчик 8 времени, блок 9 сравнения, запоминающий блок 10, вычислительный блок 11.

Магнитометры 1, 2, 3 с помощью установленных в определенной последовательности и на соответствующем расстоянии МЧЭ 4, 5, 6 через синхронизатор 7 соединены со счетчиком времени 8. Выходы магнитометра 2 соединены с входами блока сравнения 9 и запоминающего блока 10. Выход магнитометра 3 соединен с входом блока сравнения 9. Блок сравнения 9 и запоминающий блок 10 связаны со счетчиком времени 8. Выходы запоминающего блока 10 соединены с входами блока сравнения 9 и вычислительного блока 11. Выход блока сравнения 9 соединен с входом вычислительного блока 11.

Устройство работает следующим образом. МЧЭ 4, 5 и 6 устанавливают на одинаковом расстоянии друг от друга. Причем МЧЭ должны находится на линии, совпадающей с направлением, вдоль которого определяется скорость движения объекта. Первым по ходу движения объекта является МЧЭ 4, вторым МЧЭ 5, третьим МЧЭ 6. Счетчик времени 8, в качестве которого могут использоваться кварцевые часы, управляет работой синхронизатора 7.

Запускающий импульс со счетчика времени 8 в момент времени t₁ через синхронизатор 7 одновременно включает все три магнитометра 1, 2 и 3. Этот же импульс поступает в запоминающий блок 10 и блок сравнения 9. Значения СМПЗ, полученные одновременно магнитометрами 1 и 2, проходят в запоминающий блок 10, где с помощью счетчика времени 8 их сопоставляют с моментом времени t₁, в который они были сделаны. Результаты этих измерений запоминают. Момент времени t₁ фиксируют в вычислительном блоке 11. Одновременно величины СМПЗ, соответствующие этому моменту времени, поступают и в блок сравнения 9. Таким образом заканчивается первый этап проводимых измерений. Безразлично, какой момент времени принять за начальный и присвоить ему метку t₁. Эти начальные моменты могут повторяться до окончания одного процесса определения скорости, но в этом случае должны быть организованы параллельные каналы измерений.

После момента времени t₁ счетчик времени 8 через синхронизатор 7 с необходимой дискретностью продолжает запускать магнитометры 1, 2 и 3. Если не организованы параллельные каналы измерений, то вход запоминающего блока 10 для значений СМПЗ, измеряемых магнитометрами 1 и 2, закрывают. Значения СМПЗ с магнитометров 2 и 3 поступают только в блок сравнения 9. В этом блоке сравнивают значения СМПЗ, измеренные магнитометрами 1 и 2 в момент времени t₁, с значениями СМПЗ, непрерывно идущими от магнитометров 2 и 3 соответственно. Момент равенства сравниваемых величин является моментом времени t_к, который определяют в блоке сравнения 11 и передают в вычислительный блок 11. В вычислительном блоке 11 по значению разности между моментами времени t₁ и t_к и по известному расстоянию l между МЧЭ определяют скорость движения объекта:
V l/(t_к t₁).

Рассмотрим физический принцип, лежащий в основе работы предлагаемого устройства.

При осуществлении первого цикла измерений в момент времени все МЧЭ одновременно измеряют СМПЗ в трех точках пространства 1, 2 и 3 (фиг.2). Полученные значения СМПЗ равны:
T'₁ T₁ + B₁, T'₂ T₂ + B₁, T'₃ T₃ + B₁,
где T₁, T₂, T₃ значения стационарного геомагнитного поля в соответствующих точках измерений;
B₁ значения СМПЗ в момент времени t₁.

При осуществлении второго цикла измерений в момент времени t₂ все три МЧЭ переместились в пространстве по ходу движения объекта на расстояние ΔS₁. В этот момент времени значения СМПЗ, измеренные МЧЭ 4, 5 и 6 в точках 4, 5 и 6, соответственно будут:
T'₄ T₄ + B₂, T'₅ T₅ + B₂, T'₆Т₆ +В₂.

Сравним показания МЧЭ 5 и 6, полученные в момент времени t₂, с показаниями МЧЭ 4 и 5, полученными в момент времени t₁, соответственно
(1)
(2)
Ввиду того, что измерения проводились в четырех различных точках траектории объекта, где значения стационарного геомагнитного поля отличаются друг от друга, то ΔT₁≠ ΔT₂. Что касается приращения ПМПЗ за время между проведенными измерениями B₂ -В₁, то они в обоих выражениях одинаковы (это же равенство приращений ПМПЗ будет сохраняться между любыми циклами измерений. Следовательно, разности (1) и (2) не равны друг другу.

Аналогичный результат получим, если будет сравнивать показания МЧЭ 5 и 6, полученные в моменты времени t₃ (через расстояние ΔS₂ ), t₄ и т.д. с показаниями МЧЭ 4 и 5, полученными в момент времени t₁, соответственно. Все разности СМПЗ вычисленные по выражениям, аналогичны выражениям (1) и (2), не будут равны между собой. Такие результаты сравнений сохранятся до тех пор, пока МЧЭ 5 и МЧЭ 6 не придут в те точки траектории объекта, где находились МЧЭ 4 и МЧЭ 5 в момент времени t₁, соответственно. Предположим, что это случилось в момент времени t_к (фиг.2). Разность сравниваемых значений СМПЗ в этот момент времени будет:
(3)
(4)
В каждом из выражений (3) и (4) значения стационарного геомагнитного поля равны между собой: T_i+1 T₁, T_i+2 T₂, так как МЧЭ 5 находится в точке 1, а МЧЭ 6 в точке 2. Приращения ПМПЗ в выражениях (3) и (4) также равны. Поэтому в момент времени t_к вычисляемые разности СМПЗ одинаковы.

Таким образом, за промежуток времени t_к t₁, где t_к определяют по равенству выражений (3) и (4), объект пройдет расстояние l.

По этим данным вычисляют скорость движения объекта
V l/(t_к t₁). (5)
Продолжая по ходу движения объекта с необходимой дискретностью измерять СМПЗ и сравнивать показания МЧЭ 4 и МЧЭ 5, полученные в начальные моменты времени, с показаниями МЧЭ 5 и МЧЭ 6, получаемыми в более поздние моменты времени, определяют временные промежутки, за которые объект в процессе движения смещается на расстояние l. Начальные моменты времени название чисто условное, за него можно принять практически любое, наиболее целесообразное с точки зрения получения информации время.

Рассмотрим численный пример определения скорости движения объекта (фиг. 3).

Предположим, что расстояние между МЧЭ равно 100 м. Импульсы, запускающие магнитометры, идут со счетчика времени через 3 с. В первый момент времени t₁ значения СМПЗ, измеренные МЧЭ 4, 5 и 6, соответственно равны 51060, 51150 и 51200 нТл. На диаграммах точки траектории носителя, в которых производят измерения в соответствующий момент времени, обозначены кружками, а номера МЧЭ цифрами.

Полагаем, что измерение ПМЗ началось в момент времени t₁, и за 3 с эта составляющая СМПЗ уменьшается на 5 нТл. Через 3 с в момент времени t₂ значения СМПЗ, измеренные МЧЭ 5 и МЧЭ 6, соответственно равны 51100 и 51180 нТл. Находим разность значений СМПЗ, которые получены МЧЭ 4 в момент времени t₁ и МЧЭ 5 в момент времени t₂:
51100 51060 40 нТл.

Находим также разность значений СМПЗ, которые получены МЧЭ 5 в момент времени t₁ и МЧЭ 6 в момент времени t₂:
51150 51180 -30 нТл. Как видно, разности не равны друг другу.

В момент времени t₃, т.е. еще через 3 с, вновь измеряем МЧЭ 5 и МЧЭ 6 значения СМПЗ. В этот момент получены значения 51075 и 51150 нТл соответственно. Вычисляем аналогичные разности значений СМПЗ:
51075 51060 15 нТл,
51150 51150 0 нТл. Эти разности также не равны.

В момент времени t₄, т.е. еще через 3 с, значения СМПЗ, измеренные МЧЭ 5 и МЧЭ 6, соответственно равны 51045 и 51135 нТл. Находим те же разности значений СМПЗ:
51145 51060 15 нТл,
51135 51150 15 нТл.

Равенство вычисленных разностей свидетельствует о том, что все МЧЭ и соответственно сам объект сместились вдоль траектории движения на расстояние, равное расстоянию между МЧЭ, т.е. на 100 м. Это произошло за 9 с. В соответствии с полученными данными скорость объекта равна
V 100/9 11,1 м/с. ЫЫЫ2

Устройство для определения скорости движения объекта относительно земной поверхности, состоящее из счетчика времени, первый выход которого соединен с синхронизатором, к выходам которого параллельно подключены первый и второй магнитометры, магниточувствительные элементы которых расположены на фиксированном расстоянии l друг от друга по направлению определения скорости движения объекта, выход первого магнитометра соединен с вторым входом запоминающего блока, а выход второго магнитометра - с третьим входом блока сравнения, второй выход счетчика времени соединен с первыми входами блока сравнения и запоминающего блока, выход которого соединен с вторым входом блока сравнения, выходы блока сравнения и запоминающего блока соединены с входами вычислительного блока, отличающееся тем, что, с целью увеличения точности, в него дополнительно введен третий магнитометр, магниточувствительный элемент которого также установлен на фиксированном расстоянии l от магниточувствительного элемента второго магнитометра вдоль направления определения скорости, вход третьего магнитометра подключен к выходу синхронизатора, а выход - к четвертому входу блока сравнения, при этом выход второго магнитометра подключен к третьему входу запоминающего блока.

Устройство для определения скорости движения объекта относительно земной поверхности, состоящее из счетчика времени, первый выход которого соединен с синхронизатором, к выходам которого параллельно подключены первый и второй магнитометры, магниточувствительные элементы которых расположены на фиксированном расстоянии l друг от друга по направлению определения скорости движения объекта, выход первого магнитометра соединен с вторым входом запоминающего блока, а выход второго магнитометра с третьим входом блока сравнения, второй выход счетчика времени соединен с первыми входами блока сравнения и запоминающего блока, выход которого соединен с вторым входом блока сравнения, выходы блока сравнения и запоминающего блока соединены с входами вычислительного блока, отличающееся тем, что, с целью увеличения точности, в него дополнительно введен третий магнитометр, магниточувствительный элемент которого также установлен на фиксированном расстоянии l от магниточувствительного элемента второго магнитометра вдоль направления определения скорости, вход третьего магнитометра подключен к выходу синхронизатора, а выход к четвертому входу блока сравнения, при этом выход второго магнитометра подключен к третьему входу запоминающего блока.