способ навигации летательных аппаратов

Формула изобретения

1. Способ навигации летательных аппаратов, заключающийся в использовании эталонной карты местности как априорной информации о навигационном поле, выборе участка местности (мерный участок), находящегося в пределах эталонной карты, составлении текущей карты путем вычисления плановых координат и высоты мерного участка на основе измерений наклонных дальностей с помощью многолучевого режима измерения при помощи радиоволн, излучаемых в виде лучей, определении разности результатов многолучевых измерений, сравнении значений плановых координат текущей и эталонной карт, вычислении сигнала коррекции траектории движения и управлении движением летательных аппаратов путем коррекции их местоположения, отличающийся тем, что при измерении наклонных дальностей измеряют интегральные параметры отраженных импульсов по каждому из лучей, а перед коррекцией местоположения летательных аппаратов сравнивают интегральные параметры измеренных и эталонных (априорной информации) отраженных импульсов для каждого луча с учетом типа и наклона подстилающей поверхности, определяют погрешность многолучевых измерений, вызванную погрешностью измерения угловых колебаний летательных аппаратов по тангажу, проводят сравнение значений плановых координат текущей и эталонной карт с учетом погрешности многолучевых измерений, вычисляют уточненное значение сигнала коррекции по плановым координатам и высоте.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что сравнение интегральных параметров измеренных и эталонных отраженных импульсов по каждому из лучей проводят путем поиска эталонного отраженного импульса, интегральный параметр которого соответствует интегральному параметру измеренного отраженного импульса.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что для поиска отраженного эталонного импульса, соответствующего по интегральному параметру измеренному отраженному импульсу, используют базу данных об интегральных параметрах эталонных отраженных сигналов, представляющую собой массив данных, элементы которого в цифровом виде хранят интегральные параметры эталонных отраженных импульсов с учетом типа подстилающей поверхности и диапазона углов, под которым может производиться измерение наклонных дальностей до подстилающей поверхности.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что тип подстилающей поверхности определяется типом подстилающих поверхностей ячеек эталонной карты, находящихся внутри окружности, радиус которой зависит от высоты движения летательного аппарата и ширины излучаемого луча, причем если типы ячеек разные, то выбирают тот тип, который имеет набольшее количество ячеек, находящихся ближе к центру окружности.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что при определении угла, под которым производится измерение наклонных дальностей до подстилающей поверхности, суммируют угол отклонения каждого конкретного луча от вертикали при отсутствии угловых колебаний и угол тангажа (априорно известные данные, полученные до проведения многолучевых измерений), а также угол наклона подстилающей поверхности.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что при определении угла наклона подстилающей поверхности определяют средний угол наклона ячеек эталонной карты, находящихся внутри окружности, радиус которой зависит от высоты движения летательного аппарата и ширины излучаемого луча.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что для определения погрешности многолучевых измерений, по результатам сравнения интегральных параметров измеренных и эталонных отраженных импульсов по каждому из лучей определяют дополнительный угол отклонения от вертикали каждого из лучей, вызванный погрешностью измерения угловых колебаний летательных аппаратов по тангажу.

Описание изобретения к патенту

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.

Для обеспечения навигации летательных аппаратов (ЛА) определяют местоположение ЛА путем измерения их текущих координат. Местоположение ЛА определяют с помощью радиоволн для применения в радиолокационных системах навигации.

В основе радиолокационных систем навигации лежат корреляционно-экстремальные способы навигации (КЭСН), обеспечивающие отыскание и слежение за оптимальным режимом движения ЛА [1]. КЭСН обеспечивают измерение показателей экстремального режима ЛА, обработку указанной информации и выработку управляющего воздействия для коррекции координат местоположения ЛА. Наиболее часто используют картосличительные КЭСН по геофизическим полям, основанные на сравнении текущих карт местности, полученных с использованием радиоволн, с эталонными картами той же местности, априори находящимися на ЛА, в основе которых лежит определение местоположения ЛА с последующим управлением движением ЛА путем коррекции их местоположения. Эталонные карты устанавливают на ЛА до момента начала движения над заданной поверхностью местности, а текущие карты получают во время движения ЛА. По отклонениям эталонных карт местности от текущих в заданной точке траектории движения ЛА определяют отклонение фактической траектории от заданной. В результате сравнения эталонных и текущих карт местности вырабатывают поправки в координаты ЛА для управления движением путем коррекции местоположения ЛА.

Сравнение эталонной и текущей карт осуществляется на основе вычисления функционалов, достигающих глобального экстремума при полном совмещении изображений указанных карт. Для обработки полученной при движении ЛА информации используют разностные алгоритмы, основанные на вычислении разностей измеренных высот текущей карты.

Известен способ навигации летательных аппаратов [2], 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 в текущей точке.

Реализация способа [2] заключается в следующем.

Используют информацию эталонной карты местности о навигационном поле земли, которая до начала движении 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 (индекс «т» принадлежит текущей карте) от ЛА до рельефа мерного участка в i точках (i=1, 2, 3, N) траектории движения ЛА (трассы ).

После прохождения ЛА мерного участка вычисляют отклонения высот измеренные с помощью радиоволн, от высот H_oi , измеренных бародатчиком (абсолютная высота), в точках i 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 угловых колебаниях ЛА (тангаж, крен и курс).

Определяют на основе эталонной карты местности трассы (индекс «э» принадлежит эталонной карте), направленные вдоль мерного участка с шагом j (j=1, 2, 3, N) поперек мерного участка, соответствующим шагу эталонной карты (плановые координаты эталонной карты).

Совмещают текущую и эталонную карты исследуемой местности.

Сравнивают текущее и эталонное значения путем корреляционно-экстремальной обработки реализаций с использованием разностных алгоритмов КЭСН.

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

Управляют движением ЛА путем коррекции его местоположения.

В данном КЭСН траектория движения ЛА разделена на два последовательных участка: измерения и коррекции.

Недостатками способа [2] являются:

выработка сигнала коррекции только после пролета всего мерного участка;

необходимость измерения абсолютной высоты ЛА над нулевым уровнем H_O эталонной карты, а также необходимы дополнительные вычисления для определения средних уровней высот измеренной карты и эталонной карты. Проведение таких вычислений не позволяет реализовать оперативную обработку данных за время движения ЛА над мерным участком;

низкая точность составления текущей карты с использованием одного луча, поскольку для измерения высоты до исследуемой местности ширина луча радиоволн должна быть достаточно широкой. При этом снижается точность определения дальности до отдельных точек поверхности и, соответственно, снижается точность составления текущей карты;

отсутствие информации о текущем местоположении ЛА в процессе движения над мерным участком, поскольку обработка измеренной информации осуществляется после пролета всего мерного участка;

низкая точность вычисления сигнала коррекции по трем координатам за счет наличия погрешности в данных из-за угловых колебаний ЛА по тангажу, которая является существенной.

Известен способ навигации летательных аппаратов [3], выбранный за прототип.

Способ навигации ЛА осуществляется следующим образом.

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

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

Составляют текущую карту путем измерения параметров мерного участка с помощью радиоволн. Лучи радиоволн излучают следующим образом. Первым излучают луч, направление распространения которого расположено в плоскости, ортогональной плоскости горизонта мерного участка, или в плоскости, которая находится под углом к плоскости горизонта мерного участка (первый луч). Далее излучают лучи, направления распространения которых не совпадают с направлением распространения первого луча, причем направления распространения одной части лучей находятся слева (по направлению движения ЛА) от первого луча, а другой части - справа (по направлению движения ЛА) от первого луча. Количество лучей справа и слева от первого луча одинаковое.

Вычисляют местоположение ЛА в плановых координатах мерного участка на основе измерений с помощью лучей радиоволн наклонных дальностей от ЛА до поверхности мерного участка и использования данных о скорости и угловых колебаниях ЛА (тангаж, крен, курс).

Проводят вычисления, аналогичные описанным выше, по эталонной карте для каждого возможного положения ЛА внутри квадрата неопределенности для каждой гипотезы.

Вычисляют для всех гипотез внутри квадрата неопределенности слагаемые показателя близости.

Проводят по завершении всех измерений поиск экстремума показателя близости.

Определяют поправки к координатам местоположения ЛА в плановых координатах мерного участка на основе анализа взаимных смещений эталонной и текущей карт местности мерного участка.

После определения местоположения ЛА в плановых координатах мерного участка вычисляют высоту ЛА над поверхностью мерного участка в координатах мерного участка (в точке определения местоположения ЛА в плановых координатах мерного участка) как сумму высоты, представляющей собой значение измеренной наклонной дальности, умноженное на косинус угла наклона луча относительно перпендикуляра к поверхности мерного участка, и поправки, определяемой по эталонной карте, представляющей собой разность высот рельефа мерного участка в точке определения наклонной дальности и точке, находящейся на линии перпендикуляра к поверхности мерного участка.

Выдают поправки к координатам местоположения ЛА в плановых координатах мерного участка по трем координатам.

Управляют движением ЛА путем коррекции его местоположения по трем координатам: плановым координатам и значениям высоты до поверхности мерного участка по мере прохождения мерного участка.

Недостатком способа [3] является низкая точность вычисления сигнала коррекции по трем координатам за счет наличия погрешности измерений в данных, вызванных погрешностью измерения угловых колебаний ЛА по тангажу, которая является существенной. Дело в том, что погрешность измерения угловых колебаний по тангажу дает ошибку измерения наклонной дальности, которую необходимо учитывать при проведении измерений.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение точности способа навигации летательных аппаратов за счет того, что при вычислении сигнала коррекции местоположения для управления движением летательных аппаратов учитывают погрешность, возникающую при движении над мерным участком за счет погрешности измерения угловых колебаний 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 (мерный участок), находящегося в пределах эталонной карты, составлении текущей карты путем вычисления плановых координат и высоты мерного участка на основе измерений наклонных дальностей с помощью многолучевого режима измерения при помощи радиоволн, излучаемых в виде лучей, определении разности результатов многолучевых измерений, сравнении значений плановых координат текущей и эталонной карт, вычислении сигнала коррекции траектории движения и управлении движением летательных аппаратов путем коррекции их местоположения, при измерении наклонных дальностей измеряют интегральные параметры отраженных импульсов по каждому из лучей, а перед коррекцией местоположения летательных аппаратов сравнивают интегральные параметры измеренных и эталонных (априорной информации) отраженных импульсов для каждого луча с учетом типа и наклона подстилающей поверхности, определяют погрешность многолучевых измерений, вызванную погрешностью измерения угловых колебаний летательных аппаратов по тангажу, проводят сравнение значений плановых координат текущей и эталонной карт с учетом погрешности многолучевых измерений, вычисляют уточненное значение сигнала коррекции по плановым координатам и высоте, сравнение интегральных параметров измеренных и эталонных отраженных импульсов по каждому из лучей проводят путем поиска эталонного отраженного импульса, интегральный параметр которого соответствует интегральному параметру измеренного отраженного импульса, для поиска отраженного эталонного импульса, соответствующего по интегральному параметру измеренному отраженному импульсу, используют базу данных об интегральных параметрах эталонных отраженных сигналов, представляющую собой массив данных, элементы которого в цифровом виде хранят интегральные параметры эталонных отраженных импульсов с учетом типа подстилающей поверхности и диапазона углов, под которым может производиться измерение наклонных дальностей до подстилающей поверхности, тип подстилающей поверхности определяется типом подстилающих поверхностей ячеек эталонной карты, находящихся внутри окружности, радиус которой зависит от высоты движения летательного аппарата и ширины излучаемого луча, причем если типы ячеек разные, то выбирают тот тип, который имеет наибольшее количество ячеек, находящихся ближе к центру окружности, при определении угла, под которым производится измерение наклонных дальностей до подстилающей поверхности суммируют угол отклонения каждого конкретного луча от вертикали при отсутствии угловых колебаний и угол тангажа (априорно известные данные, полученные до проведения многолучевых измерений), а также угол наклона подстилающей поверхности, при определении угла наклона подстилающей поверхности определяют средний угол наклона ячеек эталонной карты, находящихся внутри окружности, радиус которой зависит от высоты движения летательного аппарата и ширины излучаемого луча, для определения погрешности многолучевых измерений, по результатам сравнения интегральных параметров измеренных и эталонных отраженных импульсов по каждому из лучей определяют дополнительный угол отклонения от вертикали каждого из лучей, вызванный погрешностью измерения угловых колебаний летательных аппаратов по тангажу.

При реализации способ навигации летательных аппаратов позволяет уточнить местоположение ЛА при коррекции движения ЛА во время прохождения мерного участка с меньшей погрешностью.

Способ навигации ЛА поясняют следующие чертежи:

- на фигуре 1 представлено взаимное расположение систем координат при движении ЛА;

- на фигуре 2 представлена часть поверхности мерного участка с нанесенной на него сеткой эталонной карты с шагом _Э, на которой показаны положение ЛА, вертикаль на поверхность мерного участка ЛА-А, линия измеренной наклонной дальности ЛА до поверхности мерного участка ЛА-Б и угол отклонения направления излучения при измерении наклонной дальности от вертикали ₁;

- на фигуре 3 представлены: направление движения ЛА; линия горизонта; линейный профиль подстилающей поверхности, находящийся под углом ₂ (средним) по отношению к горизонту;

- на фигуре 4 показаны два импульса: первый (1) - эталонный отраженный импульс от поверхности мерного участка (фиг.1, точка А) и второй (2) - измеренный отраженный импульс от поверхности мерного участка (фиг.1, точка Б), полученный при проведении измерений.

Импульсы 1 и 2 (фиг.4) имеют следующие параметры: А_МАХ1 - максимальное значение импульса 1; A_MAX2 - максимальное значение импульса 2; t₁ - длительность импульса 1 на уровне половины его максимального значения (0,5·A _MAX1); t₂ - длительность импульса 2 на уровне половины его максимального значения (0,5·A_MAX2 ), причем t₂>t₁; t_CM1 - временное смещение максимума импульса 1 относительно уровня 10% его максимума (0,1·A_MAX1 ); t_CM2 - временное смещение максимума импульса 2 относительно уровня 10% его максимума (0,1·A_MAX2 ); при этом временное смещение максимума i-го импульса t_CMi характеризует изменение его формы за счет различных факторов, в данном случае это влияние (наличие ₁) угловых колебаний ЛА по тангажу.

С учетом сказанного, определим интегральный параметр (ИП) i-го отраженного импульса как совокупность значений следующих величин: максимального значения A_MAXi импульса, длительности импульса на уровне половины его максимального значения t _i, временного смещения максимума импульса относительно уровня 10% его максимума t_CMi, и запишем как

Способ навигации реализуется следующим образом.

Реализацию способа навигации ЛА рассмотрим на примере составления текущей карты с помощью многолучевых измерений с использованием трех лучей радиоволн, расположенных в одной плоскости, которая находится под углом к плоскости горизонта мерного участка.

За время движения над мерным участком определяют текущую карту местности, для составления которой используют данные об измеренных значениях наклонной дальности с помощью лучей радиоволн, а также значениях скорости и углах эволюции ЛА (тангаж, крен и курс - априорно известные данные, полученные до проведения указанных ниже измерений). При этом данные о тангаже имеют собственную погрешность измерения.

При анализе использованы следующие системы координат, показанные на фиг.1, для: эталонной карты рельефа местности (большой прямоугольник на фиг.1); квадрата неопределенности (квадрат на фиг.1); возможных положений ЛА внутри квадрата неопределенности в момент начала измерений (точки на фиг.1) и точек траектории ЛА, в которых производят измерения (ромбы на фиг.1).

Местная система координат является левой прямоугольной декартовой системой координат O_rx_ry_rz _r с началом O_r. При этом оси O_rx _r и O_ry_r лежат в плоскости местного горизонта, то есть x_r и y_r являются плановыми координатами ЛА. Относительно плоскости O_rx_r y_r определяют высоты рельефа местности и ЛА. Таким образом, указанные высоты являются соответствующими значениями координаты z_r. Начало координат O_r выбрано так, что ось O_ry_r направлена в расчетную точку появления ЛА над участком местности, соответствующим эталонной карте. Ось O_ry_r считается коллинеарной по отношению к горизонтальной составляющей расчетного вектора скорости ЛА (фиг.1). Плановая система координат неподвижна и связана с эталонной картой.

Для того чтобы привязать плановые координаты к эталонной карте, используют дискретную систему координат. При этом оси N_x и N_y сонаправлены с осями местной системы O_rx_r y_r (фиг.1). Нулевым индексам в дискретной системе координат соответствует левый нижний угол эталонной карты. Предполагаемое значение дискретных координат ЛА в момент начала сбора данных O_r обозначим как (n_xrЭ, n_уrЭ ).

Связь между координатами дискретной и местной систем координат определяется выражениями вида

где _Э - размер ячейки сетки эталонной карты.

При определении координат точек измерений в виде точек пересечения подстилающей поверхности и лучей радиоволн используют систему координат, связанную с текущим положением ЛА. Начало координат этой системы (точка О_а) поместим в текущую точку проекции траектории ЛА на плоскость плановых координат. Ось О_ах_а по направлению совпадает с текущим направлением вектора скорости ЛА.

Связь между координатами системы, связанной с ЛА, и местной системы координат определяется выражениями

где x_rc и y_rc - координаты проекции текущего положения ЛА на плоскость плановых координат; _х - курс ЛА в текущей точке измерений (угол между вектором скорости ЛА и осью O_rx_r).

Исходными данными для вычислений в КЭСН являются:

- эталонная карта, представляющая собой массив данных о рельефе местности, элементы которого представляют собой высоты рельефа в узлах координатной сетки эталонной карты на плоскости O_rx_ry_r, и массив данных о типе подстилающей поверхности, элементы которого представляют собой условные обозначения типов подстилающих поверхностей между узлами координатной сетки эталонной карты на плоскости O_r x_ry_r;

- база данных об интегральных параметрах эталонных отраженных сигналов, представляющая собой массив данных, элементы которого в цифровом виде хранят значения интегральных параметров эталонных отраженных импульсов с учетом типа подстилающей поверхности и диапазона углов, под которым может производиться измерение наклонных дальностей до подстилающей поверхности;

- интегральные параметры измеренных отраженных импульсов;

- данные, определяемые углом между лучами _R радиоволн;

- данные измерений, отличных от полученных с помощью лучей радиоволн, поступающие с каждым результатом измерений: значения угла _Z крена, угла _х курса, угла _t тангажа, скорости ЛА;

- текущая карта, представляющая собой набор значений наклонных дальностей по всем трем лучам, полученных в каждом измерении.

Текущая карта местности определяется матрицей Н(n_x,n_y) размером N_x ×N_y, а эталонная карта - матрицей Н_Э (n_x,n_y) размером N_xЭ×N _уЭ. Дискретные значения n_sx и n_sy соответствуют горизонтальному и вертикальному смещению текущей карты относительно эталонной и отсчитываются от левого нижнего угла эталонной карты, для которого n_sx=n_sy =0.

В предлагаемом способе используют дифференциально-разностный алгоритм обработки многолучевых измерений, который рассмотрим на примере трехлучевого КЭСН. Лучи радиоволн излучают последовательно в следующем порядке: первым - центральный луч (по направлению движения ЛА), вторым - левый луч и третьим - правый луч относительно центрального луча.

Измеряют наклонные дальности и интегральные параметры отраженных сигналов (измеренных сигналов) по каждому лучу.

Определяют разности измерений левого и центрального лучей, правого и центрального лучей текущего измерения, а также вычисляют разности измерений центрального луча в текущем измерении и в предыдущем. По эталонной карте для каждой гипотезы определяют положение координат в каждой точке, для которой рассчитывают высоты рельефа местности на мерном участке.

Обработку данных каждого измерения производят следующим образом.

По полученным данным о наклонных дальностях, а также об угловых колебаниях ЛА вычисляют координаты точек измерений в системе координат, связанной с ЛА.

Вычисляют местные координаты проекции точки траектории ЛА на плоскость плановых координат и высоту ЛА над поверхностью мерного участка в координатах мерного участка.

Для каждой гипотезы, то есть для всех возможных положений ЛА внутри квадрата неопределенности, вычисляется одно слагаемое показателя близости.

Необходимо отметить, что наличие погрешностей измерений за счет угловых колебаний ЛА по тангажу (фиг.2, угол ₁) приводит к дополнительной погрешности при определении поправок к координатам, для устранения которой выполняют следующие операции.

Измеряют и запоминают интегральные параметры (ИП) измеренных отраженных сигналов по всем трем лучам при последнем измерении.

Определяют на эталонной карте по определенным ранее точкам измерений в местной системе координат средний угол наклона поверхности (фиг.3, угол ₂) и тип подстилающей поверхности для каждого из лучей при последнем измерении.

Используют базу данных об интегральных параметрах эталонных отраженных сигналов для трех лучей с учетом отклонения луча от вертикали и среднего угла наклона поверхности, а также типа подстилающей поверхности для каждого луча.

Определяют величину дополнительного угла отклонения от вертикали по тангажу каждого из лучей за счет погрешности измерения угловых колебаний ЛА по тангажу, используя интегральные параметры эталонных и измеренных отраженных сигналов по каждому лучу.

Проводят поиск экстремума показателя близости. Показатель близости данных P(n_hx,n_hy ) для данного случая запишем как

Здесь n_hx и n_hy - смещения точки O_r для различных гипотез; K - количество измерений; - разность измеренных в k-м измерении значений высоты по первому и левому лучам; - разность измеренных в k-м измерении значений высоты по первому и правому лучам; - разность значений высоты измеренных в k-м и (k-1)-м измерениях; - разность определенных для некоторой гипотезы (для определенного значения n_hx и n_hy) значений высоты по данным эталонной карты на k-м измерении по первому и левому лучам; - разность определенных для некоторой гипотезы значений высоты по данным эталонной карты на k-м измерении по первому и правому лучам; - разность определенных для некоторой гипотезы значений высоты по данным эталонной карты на k-м и (k-1)-м измерениях по первому лучу.

Определяют поправки к координатам местоположения ЛА по плановым координатам мерного участка и высоте.

Уточняют поправки к координатам ЛА по плановым координатам и высоте на основе определения дополнительного угла отклонения от вертикали по тангажу каждого луча.

Выдают поправки к координатам местоположения ЛА в плановых координатах мерного участка по трем координатам.

Управляют движением ЛА путем коррекции его местоположения по трем координатам (плановые и высота) по мере прохождения мерного участка.

Рассмотрим данный алгоритм на примере первого луча.

Наличие погрешности в измерениях, вызванных погрешностью измерения угловых колебаний ЛА по тангажу (фиг.2), дает ошибку измерения дальности, что снижает точность определения поправок к координатам местоположения ЛА.

Если погрешность измерений за счет погрешности измерения угловых колебаний ЛА по тангажу отсутствует, например, когда первый луч направлен вертикально вниз и подстилающая поверхность горизонтальна (фиг.2, по линии А-ЛА), то измеренный отраженный сигнал совпадает по форме с эталонным отраженным сигналом.

При наличии отклонения первого луча от вертикали (фиг.2 по линии Б-ЛА), наклона подстилающей поверхности по отношению к вертикали (фиг.3) и конкретной формы диаграммы обратного рассеяния (ДОР, которая характеризует тип поверхности (степень ее шероховатости) и имеет сильную зависимость от угла падения на нее луча [4]) происходит изменение интегрального параметра отраженного сигнала (как определено выражением (2)), характеризующего изменение его формы: амплитуда измеренного отраженного сигнала уменьшается, а его длительность увеличивается по сравнению с эталонной, поэтому изменяется временное смещение максимума измеренного отраженного импульса относительно уровня 10% его максимума на величину t_CM2 (фиг.4) по сравнению с временным смещением максимума эталонного отраженного импульса относительно уровня 10% его максимума t_CM1 (фиг.4).

Рассмотрим влияние на погрешность трехлучевых измерений погрешности измерения угловых колебаний ЛА по тангажу на следующем примере. Действие погрешности измерения угловых колебаний ЛА по тангажу проявляется в том, что интегральный параметр измеренного отраженного импульса будет определяться суммой следующих углов: среднего угла наклона подстилающей поверхности, угла отклонения от вертикали по тангажу (априорно известен) и дополнительного угла отклонения от вертикали по тангажу, вызванного погрешностью измерения угловых колебаний ЛА по тангажу.

Если известен тип подстилающей поверхности, угол наклона подстилающей поверхности и угол отклонения от вертикали по тангажу, то по измеренным временному смещению максимума измеренного отраженного импульса и его длительности на уровне половины максимального значения, используя базу данных об интегральных параметрах эталонных отраженных импульсов, можно определить дополнительный угол отклонения луча по тангажу - угол, определяющий погрешностью измерения, вызванную погрешностью измерения угловых колебаний ЛА по тангажу.

Рассмотрим подробно алгоритм определения погрешности измерения за счет погрешности измерения угловых колебаний ЛА по тангажу.

Запоминают временное положение максимумов и длительности на уровне половины максимального значения измеренных отраженных импульсов по всем трем лучам при последнем измерении перед поиском экстремума показателя близости.

Определяют по эталонной карте по ранее определенным точкам измерений в местной системе координат средний угол наклона и тип подстилающей поверхности для каждого из лучей при последнем измерении перед поиском экстремума показателя близости. Искомая подстилающая поверхность может включать от 1 до М ячеек эталонной карты, количество которых определяется диаметром окружности, радиус которой зависит от высоты движения ЛА и ширины излучаемого луча. При этом рассматривают ячейки эталонной карты, у которых не менее половины площади находится внутри указанной окружности.

Определяют средний угол наклона искомой подстилающей поверхности на эталонной карте относительно горизонтали после определения местоположения ЛА на эталонной карте (фиг.3).

Определяют по эталонной карте тип искомой подстилающей поверхности - по типам ячеек эталонной карты, включенных в искомую подстилающую поверхность. Причем если типы ячеек разные, то выбирают тот тип, который имеет набольшее количество ячеек, находящихся ближе к центру окружности.

При определении угла наклона подстилающей поверхности определяют средний угол наклона ячеек эталонной карты, находящихся внутри окружности, радиус которой зависит от высоты движения летательного аппарата и ширины излучаемого луча.

Используют из базы данных значения временных положений максимумов и длительности на уровне их половины максимального значения (интегральные параметры) эталонных отраженных импульсов для каждого из лучей с учетом определенных типа и среднего угла наклона подстилающей поверхности.

Определяют угол отклонения от вертикали по тангажу каждого из лучей радиоволн путем поиска в базе данных эталонного отраженного импульса, интегральный параметр которого соответствует интегральному параметру измеренного отраженного импульса и определения угла отклонения от вертикали по тангажу. В базе данных для каждого эталонного отраженного импульса определен угол отклонения от вертикали по тангажу. Полученный угол отклонения от вертикали каждого из лучей (угол, под которым производится измерение наклонных дальностей до подстилающей поверхности) включает в себя угол отклонения каждого конкретного луча от вертикали при отсутствии угловых колебаний и угол тангажа (априорно известные данные, полученные до проведения многолучевых измерений), средний угол наклона подстилающей поверхности, а также дополнительный угол, вызванный погрешностью измерения угловых колебаний по тангажу.

Находят значение и направление (влево или вправо от направления движения ЛА) дополнительного угла по тангажу векторным вычитанием из полученного угла отклонения от вертикали для каждого из лучей угла отклонения каждого конкретного луча от вертикали при отсутствии угловых колебаний, угла тангажа и угла наклона подстилающей поверхности.

Определяют среднее значение дополнительного угла, вызванного погрешностью измерения угловых колебаний ЛА по тангажу, усреднением этих значений для каждого из лучей.

Уточняют на основе определенных значений и направлений дополнительного угла по тангажу поправки к координатам ЛА по плановым координатам.

При проведении указанных операций предполагалось, что вычисление всех составляющих и экстремума показателя близости получают после завершения всех измерений, при вычислении которых использовались разности значений высот (как в прототипе). Наличие погрешности измерения угловых колебаний ЛА по тангажу ведет к тому, что вместо высот в данном случае используют наклонные дальности, а местоположение ЛА смещено в пространстве относительно эталонной карты.

Уточнение поправок к координатам ЛА по плановым координатам ведет к сдвигу экстремума показателя близости данных по эталонной карте в направлении, задаваемом направлением дополнительного угла по тангажу, на значение, определяемое вычисленной ранее высотой движения ЛА и тангенсом дополнительного угла наклона по тангажу.

Вычисляют уточненную высоту ЛА над поверхностью мерного участка в координатах мерного участка (в точке определения местоположения ЛА в плановых координатах мерного участка) как сумму высоты, представляющей собой значение измеренной наклонной дальности, умноженное на косинус угла наклона луча относительно перпендикуляра к поверхности мерного участка с учетом дополнительного угла наклона по тангажу, и поправки, определяемой по эталонной карте, представляющей собой разность высот рельефа мерного участка в точке определения наклонной дальности и точке, находящейся на линии перпендикуляра к поверхности мерного участка.

Выдают поправки к координатам местоположения ЛА в плановых координатах мерного участка по трем координатам и определяют уточненное значение сигнала коррекции.

Управляют движением ЛА путем коррекции их местоположения по трем координатам по мере прохождения мерного участка.

Управление движением ЛА осуществляется в темпе поступления измеренной информации, но с более высокой точностью, поскольку по мере прохождения мерного участка осуществляется коррекция местоположения ЛА по трем координатам с учетом поправок на ошибки при проведении измерений из-за погрешности измерения угловых колебаний ЛА по тангажу.

Проведенное моделирование рассмотренного алгоритма показало, что учет погрешности измерения угловых колебаний ЛА по тангажу в единицы градусов позволяет уменьшить погрешность определения поправок к координатам ЛА по плановым координатам как минимум в два раза. Это существенно повышает точность навигации ЛА.

Важно отметить, что рассмотренный способ навигации ЛА с предложенным алгоритмом сохраняет свои положительные свойства при различном количестве лучей радиоволн. Число используемых лучей радиоволн определяется только временем, в течение которого обеспечивается измерение местоположения ЛА при движении над мерным участком поверхности.

Таким образом, способ навигации летательных аппаратов обладает рядом существенных преимуществ перед аналогом и прототипом, поскольку значительно повышает точность навигации (повышает точность определения поправок к координатам ЛА по трем координатам) за счет учета погрешности измерения угловых колебаний ЛА по тангажу, которые на практике оказывают наибольшее влияние на погрешность измерения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Белоглазов И.Н., Джанджгава Г.И., Чигин Г.П. Основы навигации по геофизическим полям. - М.: Наука, 1985. - 328 с. (с.10-11, 19-22, 25-34).

2. Ржевкин В.А. Автономная навигация по картам местности // Зарубежная радиоэлектроника. - 1981. - № 10. - С.3-28.

3. Патент № 2338158 РФ. МПК G01C 21/00 (2006.01). Способ навигации летательных аппаратов / Хрусталев А.А., Кольцов Ю.В., Егоров С.Н. // Ретроспективный комплект описаний изобретений за 2008 г. на DVD (Опубл. 10.11.2008. - Бюл. № 31) (прототип).

4. Финкельштейн М.И. Основы радиолокации. - М.: Радио и связь, 1983. - 536 с. (с.186, 126-129).