способ персональной автономной навигации

Классы МПК:G01C21/00 Навигация; навигационные приборы, не отнесенные к группам  1/00
Автор(ы):,
Патентообладатель(и):Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.) (RU)
Приоритеты:
подача заявки:
2013-01-09
публикация патента:

Изобретение относится к области приборостроения, в частности к способам персональной навигации (пешеходной, автомобильной и пр.), и может быть использовано при решении задач локальной навигации (мининавигации). Технический результат - получение наиболее полной и достоверной информации о географических координатах объекта. Для этого на основании полученной инерциальной информации вычисляют по алгоритмам аналитического гиро-горизонт-широт-компасирования географической широты и параметров ориентации основания объекта: курс, тангаж и крен. При этом в дополнение к двум каналам инерциальных измерений формируют третий канал на основе идентификации магнитных свойств основания объекта, измерения вектора напряженности магнитного поля Земли (МПЗ), его коррекции и сравнения оценок векторов напряженностей МПЗ. 3 ил. способ персональной автономной навигации, патент № 2523753

способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 способ персональной автономной навигации, патент № 2523753

Формула изобретения

Способ персональной автономной навигации, заключающийся в получении в режиме остановки основания объекта по двум каналам инерциальных измерений комплексной информации о параметрах геофизических полей - напряженности способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 поля тяжести Земли и угловой скорости способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 суточного вращения планеты и вычисления на основании полученной инерциальной информации по алгоритмам аналитического гиро-горизонт-широт-компасирования географической широты способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 и параметров ориентации основания объекта: курса способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 , тангажа способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 , крена способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 ; отличающийся тем, что в дополнение к двум каналам инерциальных измерений организуют третий канал путем проведения операции идентификации магнитных свойств основания объекта, измерения вектора напряженности способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 магнитного поля Земли, его коррекции и сравнения оценок векторов напряженностей МПЗ способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 и способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 , вычисленных для контрольной А и базовой A0 точек маршрута, и определение по алгоритмам дифференциальной геомагнитной навигации оценок вариаций способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 и координат способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 текущих контрольных точек маршрута и дополнительных навигационных параметров - географической долготы способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 и радиуса - вектора r.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области приборостроения, в частности к способам персональной навигации (пешеходной, автомобильной и пр.), и может быть использовано при решении задач локальной навигации (мининавигации): для задач автономной навигации при проведении геологической, геофизической и военной разведки; навигации наземных транспортных средств при изыскании, строительстве и мониторинге дорог, трасс, трубопроводов; пешеходной или автомобильной навигации в неизвестной малоизученной местности или в пределах незнакомого города; технологической навигации мобильных роботов в закрытых пространствах при выполнении аварийно-спасательных работ в чрезвычайных ситуациях; групповой (корпоративной) навигации для осуществления походов и путешествий (в области альпинизма, спорта, охоты, рыболовства, активного отдыха на природе и пр.).

Известен угломерно-дальномерный способ персональной автономной навигации (журнал «Гироскопия и навигация», № 4,2004, с.50-75), в котором направление движения объекта (пешехода или его индивидуального транспортного средства) определяется по показаниям цифрового магнитного компаса (ЦМК) и гироскопа (взаимно корректирующих друг друга), а величина пройденного пути определяется с помощью хорошо откалиброванного инерциального измерительного модуля на основе реализации интегрального алгоритма инерциального счисления пройденного пути и использования шагомера.

В данном способе геомагнитная информация используется только для определения направления движения пешехода или его транспортного средства. Информация о магнитном поле Земли (МПЗ) непосредственно для целей навигации (т.е. для определения координат местоположения объекта) в этом способе не используется. Однако ошибки интегрального инерциального способа счисления пути и ошибки шагомера в этом способе остаются.

Недостаток угломерно-дальномерного способа персональной автономной навигации на основе использования информации от ЦМК, гироскопа инерциального модуля и шагомера заключается в недостаточно высокой точности навигации, обусловленной накоплением погрешности во времени и в зависимости от пройденного пути.

Также известен способ персональной навигации, основанный на использовании сигналов глобальных спутниковых навигационных систем (GPS, ГЛОНАСС, Бэйдоу, Galileo). Использование способа спутниковой навигации для целей персональной навигации отражено в ряде заявок и патентов (US 20050033515 А1, опубл. 10.02.2005 г.; US 20070282565 А1, опубл. 06.12.2007 г.) и реализовано в многочисленных производственных образцах фирм Garmin, GlobalSat, Magellan и др., широко применяемых на практике.

Персональные спутниковые навигаторы обеспечивают высокоточное определение всех координат (способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 , способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 , r) точек текущего местоположения подвижного объекта (ПО), на котором находится навигатор. Однако этот способ не является автономным. Кроме того, реализация этого способа на практике характеризуется значительной сложностью: большими материальными, техническими, технологическими и финансовыми затратами, высокой себестоимостью, невысоким показателем помехоустойчивости, отказоустойчивости и доступности в любой точке околоземного пространства. Недостатками данного способа навигации являются такие реальные факторы, как многолучевость антенн спутников и навигатора; вредное влияние ионосферы Земли на радиосигналы навигационных спутников; влияние неполной и нерациональной геометрической конфигурации навигационных спутников (альманаха навигационных спутников); вредное влияние фактора «затенения» радиосигналов навигационных спутников наземными объектами.

В этих условиях приходится искать альтернативное решение, способное обеспечить достойную конкуренцию способу спутниковой навигации. В качестве такого альтернативного конкурентоспособного решения в настоящее время считается интегрированный способ инерциально-спутниковой навигации, в котором объединены два способа: способ спутниковой навигации и способ инерциальной навигации. При этом за счет интеграции двух способов навигации в одном способе обеспечивается взаимное подавление недостатков каждого отдельного способа и усиление их достоинств.

Известен способ определения параметров навигации (патент RU № 2338160 от 10.11.2008 г.), в котором для достижения высоких показателей точностей навигации осуществляют комплексирование сигналов спутниковой и инерциальной навигационных систем. Путем сравнения показаний этих систем определяют скорректированные параметры навигации и величины ошибок значений параметров, вырабатываемых инерциальной навигационной системой. Затем осуществляют передачу вычисленных по эти ошибкам величин поправок в инерциальную навигационную систему для коррекции вырабатываемых ею в последующие моменты времени параметров навигации.

Недостатки интегрированного способа инерциально-спутниковой навигации заключаются в том, что этим способом не обеспечивается полная автономность решения задачи персональной навигации. Кроме того, интегрированные персональные навигаторы, работающие по способу комплексной обработки информации, отличаются относительной сложностью, ненадежностью, дороговизной и необходимостью реализации алгоритмов вычисления навигационных невязок (алгоритмов RAJM - технологий).

Известны также способы навигации по аномальным геофизическим полям, основанные на обзоре этих полей и последующей обработке полученной при обзоре многомерной информации с использованием алгоритмов поиска экстремумов, базирующихся на корреляционно-экстремальных принципах вычисления корреляционных функций и определения их экстремумов (И.Н.Белоглазов, Г.И.Джанжгава, Г.П.Чигин. Основы навигации по геофизическим полям. - М.: Наука, 1985. - с.5-19). Эти способы относятся к типу обзорно-сравнительных способов (сравнение реализации наблюдения с эталоном-шаблоном), они удовлетворяют условиям автономности, высокой информативности и точности. Однако они сравнительно ненадежны и сложны, требуют реализации достаточно сложных алгоритмов хранения первичной информации (в виде шаблонов - цифровых карт аномальных геофизических полей) и обработки текущей информации (алгоритмов поиска экстремумов, сравнения, рекурсии). Кроме того, эти способы практически непригодны для целей персональной навигации из-за невозможности реализации обзора аномальных геофизических полей, формирования текущей информации и построения соответствующих коореляционных функций при наблюдении за этими полями в одной точке (точке нахождения наблюдателя с навигатором на поверхности Земли).

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ автономной инерциальной безынтегральной начальной выставки навигационных систем («Гироскопия и навигация», № 2, 2003, с.65-78), принятый за прототип, заключающийся в том, что на основе инерциальной информации о векторе напряженности поля тяжести способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 Земли и векторе угловой скорости суточного вращения способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 планеты, получаемой в режиме остановки основания (в режиме ZUPT) в проекциях на оси связанной (приборной) системы координат XYZ, с использованием алгоритмов инерциальной безынтегральной выставки (алгоритмов гиро-горизонт-широт-компасирования) определяются в любой произвольной точке на поверхности Земли А (способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 , способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 , r) географическая широта (способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 ) и углы ориентации основания (способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 ; способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 ; способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 ).

В настоящее время алгоритм гиро-горизонт-широт-компасирования используется на практике только для решения задачи начальной выставки инерциальных навигационных систем и не используется для решения автономной навигации.

Недостаток этого способа (прототипа) заключается в том, что он не дает возможности решать задачу автономной навигации в полном объеме (не позволяет определять две другие географические координаты: долготу (способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 ) и радиус-вектор (r), что сужает область применения этого способа для определения географических координат объекта.

Задача настоящего изобретения заключается в разработке комплексного инерциально-магнитометрического способа персональной автономной навигации, обеспечивающего полное определение географических координат местоположения наблюдателя (способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 , способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 , r) в реальном масштабе времени на основе расширения информации о параметрах геофизических полей (поля тяжести Земли - способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 ; поля векторов угловых скоростей вращения Земли - способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 ; нормального геомагнитного поля - способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 ) коррекции и обработки полученной многомерной информации по комплексным безынтегральным алгоритмам персональной автономной геофизической навигации, что обеспечивает автономность определения географических координат объекта, достоверность и полноту получения параметров навигации для объекта и отсутствие накапливающихся погрешностей измерений и вычислений навигационных параметров объекта при пройденном пути в реальном масштабе времени.

Поставленная задача достигается путем получения в режиме остановки основания объекта по двум каналам инерциальных измерений комплексной информации о параметрах геофизических полей - напряженности способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 поля тяжести Земли и угловой скорости способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 суточного вращения планеты и вычисления на основании полученной инерциальной информации по алгоритмам аналитического гиро-горизонт-широт-компасирования географической широты способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 и параметров ориентации основания объекта: курса способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 , тангажа способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 , крена способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 ; новым является то, что в дополнение к двум каналам инерциальных измерений организуют третий канал путем проведения операции идентификации магнитных свойств основания объекта, измерения вектора напряженности способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 магнитного поля Земли, его коррекции и сравнения оценок векторов напряженностей МПЗ способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 и способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 , вычисленных для контрольной А и базовой A0 точек маршрута, и определение по алгоритмам дифференциальной геомагнитной навигации оценок вариаций способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 и координат способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 текущих контрольных точек маршрута и дополнительных навигационных параметров - географической долготы способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 и радиуса - вектора r.

Согласно предлагаемому решению на основе расширения, коррекции и использования комплексной (инерциальной (способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 ; способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 ) и магнитометрической (способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 )) информации применительно к области персональной автономной геофизической навигации обеспечивается возможность не только вычисления географической широты (способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 ) гравиметрическим и тахометрическим методами, но и определения географической долготы (способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 ) и географического радиуса - вектора (r) (магнитометрическим методом) в реальном масштабе времени.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами. На Фиг.1 представлена схема способа персональной автономной геофизической навигации. На Фиг.2 представлена схема, иллюстрирующая последовательность реализации алгоритмов персональной автономной геофизической навигации при прохождении пешеходом маршрута. На Фиг.3 представлена схема формирования маршрута пешехода (или транспортного средства) с использованием персонального геофизического навигатора, работающего по алгоритмам персональной автономной геофизической навигации.

Способ автономной персональной геофизической навигации заключается в следующем.

1. В режиме остановки основания объекта в контрольных точках маршрута определяют комплексную информацию о параметрах геофизических полей - напряженности способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 поля тяжести Земли и угловой скорости способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 суточного вращения Земли:

1) гравиметрическую информацию (ГМ - информацию, получаемую с использованием трехкомпонентного блока гравиметров-акселерометров способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 ;

2) тахометрическую информацию (ТМ-информацию), получаемую с помощью трехкомпонентного блока гиротахометров (например, прецизионных волоконно-оптических гироскопов - ВОГ)

способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 .

1. По алгоритмам гиро-горизонт-широт-компасирования вычисляют географическую широту способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 и параметры ориентации основания объекта - курс способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 , тангаж способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 , крен способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 .

3. Выполняют операцию идентификации магнитных свойств основания объекта.

4. Далее получают и используют расширенную геофизическую информацию - магнитометрическую информацию (ММ-информацию), получаемую с помощью трехкомпонентного блока навигационных магнитометров (например, прецизионных магнитометров - феррозондов) способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 .

5. Осуществляют коррекцию полученного вектора напряженности способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 и сравнение оценок векторов напряженностей МПЗ способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 и способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 , вычисленных для контрольной А и базовой A0 точек маршрута.

6. Вычисляют по алгоритмам дифференциальной геомагнитной навигации оценки вариаций способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 и координат способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 текущих контрольных точек маршрута и дополнительные параметры навигации - географическую долготу способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 и радиус - вектор r.

Данную комплексную геофизическую информацию получают, накапливают и обрабатывают (Фиг.1, 2) дискретно в режиме остановок в контрольных точках маршрута (Фиг.3). Полученную комплексную геофизическую информацию обрабатывают по трем каналам измерений: гравиметрическому (способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 ), тахометрическому (способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 ) и магнитометрическому (способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 ). В канале гравиметрических измерений реализуют алгоритм аналитического горизонтирования основания навигатора, тахометрический канал работает по алгоритму аналитического гиро-горизонт-широт-компасирования, а в магнитометрическом канале реализуют алгоритм дифференциальной геомагнитной навигации. В результате такой комплексной обработки информации по алгоритмам персональной автономной геофизической навигации в совокупности по всем трем каналам измерений вычисляют координаты текущего местоположения объекта способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 (способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 ; способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 ; r).

С помощью алгоритма работы канала гравиметрических измерений (способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 ) обеспечивают определение углов крена способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 i и тангажа способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 i корпуса навигатора в каждом i-м сеансе измерений в режиме остановки основания объекта:

способ персональной автономной навигации, патент № 2523753

где способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 xi; способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 yi; способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 zi - показания соответствующих акселерометров в i-м сеансе измерений

способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 ;

g - напряженность поля тяжести Земли в точке местоположения наблюдателя.

Причем

способ персональной автономной навигации, патент № 2523753

Для упрощения решения задачи измерений по гравиметрическому каналу измерений горизонтирование корпуса объекта может быть выполнено не алгоритмически с использованием формул (1)-(2), а физически (с обеспечением условия механического горизонтирования способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 =способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 =0) с использованием пузырьковых микроуровней, встроенных в корпус навигатора.

На основе алгоритма работы канала тахометрических измерений (способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 ) обеспечивают определение углов курса способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 i корпуса объекта и географической широты способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 месторасположения объекта в каждом i-м сеансе измерений в режиме остановки основания объекта:

способ персональной автономной навигации, патент № 2523753

При этом принимают способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 =2способ персональной автономной навигации, патент № 2523753зз - звездные сутки, Tз =23 ч 56 мин 4,091 с=86164,091 с).

способ персональной автономной навигации, патент № 2523753

Из анализа выражений (1)-(4) видно, что блок гравиметров (акселерометров) с вычислителем выполняет функцию аналитического горизонта, а блок гироскопов (тахометров) с вычислителем выполняет функции аналитического гиро-широт-компаса. Роль долготно-высотного измерителя (измерителя долготы способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 и радиуса-вектора r) выполняет в предлагаемом способе магнитометрический канал измерений, который организуют путем определения вектора напряженности способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 и его коррекции при предварительном определении (идентификации) магнитных свойств основания объекта.

В отличие от каналов гравиметрических и тахометрических измерений канал магнитометрических измерений является более информативным, но вместе с тем и менее помехозащищенным.

Показания блока магнитометров с учетом параметров нормального МПЗ и магнитных свойств основания объекта описываются уравнением Пуассона в векторно-матричной форме:

способ персональной автономной навигации, патент № 2523753

где способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 - вектор показаний блока магнитометров в приборной (связанной) системе координат XYZ,

способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 - вектор напряженности геомагнитного поля в осях нормальной земной системы координат XgYgZg (ГОСТ 20058-80),

способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 - вектор постоянной составляющей магнитного поля объекта (МПО) и навигатора в приборной системе координат XYZ,

S - матрица коэффициентов индуктивной составляющей МПО,

Е - единичная матрица (3×3).

Решение векторно-матричного уравнения (5) модно представить в следующем виде:

способ персональной автономной навигации, патент № 2523753

Или в развернутой форме:

способ персональной автономной навигации, патент № 2523753

где способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 ; способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 ; способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 - оценки параметров нормального МПЗ в проекциях на оси системы координат XgYgZg;

Тх; Ty; Tz - показания соответствующих магнитометров в проекциях на оси XYZ;

способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 ; способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 ; способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 - транспонированные матрицы ориентации корпуса навигатора (по курсу способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 , тангажу способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 и крену способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 ).

Выражения (6) или (7) представляют собой алгоритм определения вектора напряженности нормального МПЗ способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 , вычисленного по показаниям блока магнитометров способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 . При этом информацию об углах ориентации корпуса объекта (способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 , способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 , способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 ) получают в режиме остановки основания объекта по каналам гравиметрических и тахометрических измерений в соответствии с алгоритмами гиро-горизонт-широт-компасирования (1)-(4).

Информацию о магнитных свойствах основания объекта (информацию о матрице S и векторе способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 ) получают, воспользовавшись методикой, технологией и алгоритмами идентификации МПО (изложенными в патенте РФ № 1633930, опубл. 20.01.1996 г.). Если же объект или навигатор не обладают собственным магнитным полем (МПО), то P=Q=R=S=0.

С другой стороны, в соответствии с теорией геомагнитного потенциала выражения для компонент вектора способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 представляют в виде разложения его в сферический ряд Гаусса:

способ персональной автономной навигации, патент № 2523753

способ персональной автономной навигации, патент № 2523753

способ персональной автономной навигации, патент № 2523753

где способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 ; способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 ; способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 - оценки проекций вектора напряженности нормального МПЗ на оси XgYgZg;

R - средний радиус Земли (R=6371110 м),

r - модуль радиуса вектора способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 (способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 , способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 , r),

способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 - присоединенные функции Лежандра n-й степени порядка m (зависят от географической широты способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 ),

способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 - широтный градиент первого порядка n-й степени m-го порядка присоединенной функции Лежандра способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 (mспособ персональной автономной навигации, патент № 2523753 0, способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 ),

способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 ; способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 - коэффициенты гармонического ряда разложения (коэффициенты Гаусса-Шмидта).

Оценки способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 , способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 , способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 вычисленные по формулам (8), отличаются от оценок способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 ; способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 ; способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 , вычисленных по показаниям блока магнитометров по формулам (6) или (7), на величины разностей, не превышающих погрешностей измерений и вычислений. Практически эти оценки совпадают. Численные значения коэффициентов Гаусса-Шмидта представляются геофизической службой глобальных наблюдений за МПЗ на каждый пятилетний период (эпоху) в соответствии с принятой моделью JGRF Международного геомагнитного поля World Magnetic Model for 2010-2015-WMM-2010 (сайт сети Internet http://www.ngdc.noaa.gov. режим доступа свободный), широко используемый в геофизике. Размерность модели WMM-2010 (n-й степени порядка m, способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 , способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 ) выбирают в зависимости от требований к точности воспроизведения геомагнитного поля в навигаторе.

Уравнения (8) задают в общем и в явном виде зависимости параметров МПЗ (способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 ; способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 ; способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 ) от навигационных параметров - координат местоположения объекта (способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 , способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 , r). Однако эти уравнения не приспособлены для целей навигации в связи с тем, что эти зависимости существенно нелинейные, не позволяющие выразить в общем и явном виде обратные зависимости навигационных координат (способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 , способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 , r) от параметров наблюдения за геомагнитным полем. Для преодоления указанного недостатка используют дифференциальный подход, основанный на методе линеаризации (методе Ньютона). Тогда вместо выражений (8) можно написать линеаризованные функции:

способ персональной автономной навигации, патент № 2523753

или

способ персональной автономной навигации, патент № 2523753

где способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 , способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 , способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 - оценки вариаций вектора способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 МПЗ, обусловленные изменением сферических координат на величины вариаций способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 , способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 , способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 r; относительно базовой точки A0 (способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 0; способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 0; r0);

dij - коэффициенты линеаризации функций (8), равные производным от функций (8) по соответствующим вариациям навигационных параметров;

Txg0, Tyg0, Tzg0 - проекции вектора способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 МПЗ на оси XgYgZg для базовой точки A0 (способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 0; способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 0; r0) с известными координатами способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 0; способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 0; r0.

Информацию о базовых точках A0 (способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 0; способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 0; r0) и точных значениях компонент МПЗ в этих точках (Txg0; Tyg0; Tzg0 ), соответствующих координатам (способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 0; способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 0; r0) этих базовых точек, получают на основе использования точной и упрощенной модели МПЗ. Точная версия модели геомагнитного поля соответствует Международной модели JGRF в виде соотношений (8). При упрощенном описании МПЗ может быть принята версия модели геомагнитного поля в виде магнитного диполя.

Используя операцию обращения векторно-матричного уравнения (9) и (10), получают:

способ персональной автономной навигации, патент № 2523753

где способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 ; способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 ; способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 - оценки вариаций навигационных параметров, определяющие взаимное положение текущей точки на маршруте А (способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 , способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 , r) относительно базовой точки A0 (способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 0; способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 0; r0);

D-1 - обратная матрица линеаризации (матрица функций чувствительностей F=D-1);

Fij (i, способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 ) - функции чувствительностей навигационных координат к вариациям параметров МПЗ.

Тогда оценка вектора способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 (способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 , способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 , r), характеризующего положение произвольной текущей точки местоположения навигатора на маршруте в сферической системе координат, будет равна:

способ персональной автономной навигации, патент № 2523753

Выражения (11) и (12) совместно с формулами (7) и (8) определяют алгоритм работы магнитометрического канала измерений - алгоритм дифференциальной геомагнитной навигации.

Реализация предлагаемого способа персональной автономной геофизической навигации на практике связана с проведением сеансов измерений в режиме остановки основания объекта в контрольных точках маршрута параметров векторов способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 ; способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 ; способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 и сеансов последующей обработки полученной геомагнито-инерциальной информации по алгоритмам А1-А2-А3 (Фиг.1) в контрольных точках маршрута (Фиг.3). Для каждой реализации маршрута выделяются четыре группы характерных точек:

A0 - базовая точка маршрута - точка в районе маршрута, для которой в соответствии с моделью нормального МПЗ в виде JGRF установлены точные значения навигационных параметров способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 (способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 0; способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 0; r0) и соответствующих параметров геомагнитного поля способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 (способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 ; способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 ; способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 );

А - начальная точка маршрута;

В, С, D, Е, F, G и т.д. - промежуточные точки маршрута;

К - конечная точка маршрута.

Совокупность начальной (А), промежуточных и конечной (К) точек маршрута образует группу контрольных точек маршрута.

Способ персональной автономной геофизической навигации на практике реализуют в виде выполнения последовательной серии операций получения магнитно-инерциальной информации на основе измерений параметров геофизических векторов способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 ; способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 ; способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 , последующей серии операций коррекции вектора способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 и обработки полученной комплексной информации по алгоритмам геофизической навигации (Фиг.1, 2).

Алгоритм гиро-горизонт-широт-компасирования (А1) включает в свой состав два алгоритма:

А 1.1 - алгоритм аналитического горизонтирования навигатора (способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 ; способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 ) по формулам (1);

А1.2 - алгоритм аналитического гиро-широт-компасирования (способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 , способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 ) по формулам (2).

Алгоритм определения оценок параметров геомагнитного поля (А2) также состоит из двух алгоритмов:

А2.1 - алгоритма определения оценок вектора напряженности способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 нормального МПЗ, выполняемого по формулам (6) или (7);

А2.2 - алгоритма определения оценок вариаций напряженности способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 нормального МПЗ, выполняемого по формулам (9).

Алгоритм дифференциальной геомагнитной навигации (A3) включает в свой состав также два алгоритма:

А3.1 - алгоритм вычисления оценок вариаций географических координат способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 (способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 ; способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 ; способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 ), при оценке положения текущей контрольной точки маршрута относительно базовой точки A0, выполняемый в соответствии с формулами (11);

A3.2 - алгоритм вычисления оценок географических координат текущей контрольной точки маршрута, выполняемый по формулам (12). В начальной точке А маршрута (Фиг.3) до выполнения основных операций вычисления по рабочим алгоритмам геофизической навигации А1-А2-А3 предварительно выполняют вспомогательные (подготовительные) вычисления по сервисным алгоритмам:

- по алгоритму идентификации магнитного поля объекта, описанному в патенте РФ № 1633930 (опубл. 20.01.1996 г.), с целью определения магнитных свойств основания (S; способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 ),

- по алгоритму определения географических координат, базовой точки A0способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 (способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 0; способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 0; r0) и идентификации нормального МПЗ в базовой точке в соответствии с моделью геомагнитного поля в виде JGRF, заданной формулами (8),

- по алгоритму вычисления элементов матрицы D линеаризации выражений (8), получаемых в виде производных от функций (8) по соответствующим сферическим географическим координатам способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 ; способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 и r;

- по алгоритму вычисления элементов матрицы F функций чувствительностей Fij (i, способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 ) путем обращения матрицы линеаризации D (F=D-1 ).

Информацию, полученную в начальной точке маршрута (в точке А) на основе предварительно выполненных вспомогательных вычислений по сервисным алгоритмам (способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 ; S; способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 ; F и способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 ), в дальнейшем используют при основных вычислениях по рабочим алгоритмам А1-А2-А3, выполняемых дискретно в контрольных точках маршрута (Фиг.2, 3). Положения всех контрольных точек маршрута определяют на основе вычислений по алгоритмам персональной автономной геофизической навигации относительно базовой точки A0 (для которой географические координаты (способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 0; способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 0; r0) известны точно) с помощью вариаций векторов способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 (способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 ; способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 ; способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 r).

Таким образом, параметры (способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 ; способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 ; способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 ) геофизических полей, контролируемые в контрольных точках маршрута, выступают в предлагаемом способе навигации в качестве неподвижных ориентиров на местности для решения задачи автономной геофизической навигации. Чем чаще будут проводиться сеансы геофизической обсервации дискретных точек местоположения навигатора, тем точнее будет приближена расчетная трасса (трасса - 1; трасса - 2 и т.д.), определенная по алгоритмам персональной автономной геофизической навигации, к реальному маршруту. Весь маршрут, по которому проходит пешеход или перемещается транспортное средство, разбивают на участки (линейные отрезки), границы которых определяются соответствующими контрольными точками.

Современные бортовые магнитометрические, тахометрические и гравиметрические средства измерений позволяют фиксировать параметры векторов способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 , способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 и способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 с погрешностями, не превышающими следующих величин:

способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 Tспособ персональной автономной навигации, патент № 2523753 5 нТл;

способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 Txgспособ персональной автономной навигации, патент № 2523753 20 нТл;

способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 Tygспособ персональной автономной навигации, патент № 2523753 40 нТл;

способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 Tzgспособ персональной автономной навигации, патент № 2523753 50 нТл;

способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 0,01 град/час:

способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 gспособ персональной автономной навигации, патент № 2523753 10-6 g.

Численный анализ по разработанным алгоритмам автономной персональной геофизической навигации с учетом достижимой точности работы бортовых средств измерений показывает, что максимально достигаемые величины погрешностей позиционирования не превышают следующих величин:

способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 maxспособ персональной автономной навигации, патент № 2523753 ±0,25'';

способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 maxспособ персональной автономной навигации, патент № 2523753 ±0,1'';

способ персональной автономной навигации, патент № 2523753 rmaxспособ персональной автономной навигации, патент № 2523753 ±170 м.

Результаты численной оценки предельно достижимых погрешностей и результаты математического моделирования работы персонального навигатора доказывают практическую приемлемость разработанных алгоритмов персональной автономной геофизической навигации.

Пример практической реализации способа персональной автономной геофизической навигации заключается в создании прибора - персонального автономного навигатора для индивидуальной навигации в геологии, военном и автодорожном деле, туризме и альпинизме, рыболовстве и охоте, спортивном отдыхе на природе.

При использовании персонального автономного навигатора будет обеспечена автономность наиболее полного и достоверного определения навигационных параметров объекта, при этом отсутствуют погрешности измерений, пропорциональных времени (tn ) и пройденному пути, в реальном масштабе времени.

Класс G01C21/00 Навигация; навигационные приборы, не отнесенные к группам  1/00

способ определения планово-высотного положения подземного магистрального трубопровода -  патент 2527902 (10.09.2014)
способ определения угла крена вращающегося по крену летательного аппарата -  патент 2527369 (27.08.2014)
способ коррекции дрейфа микромеханического гироскопа, используемого в системе дополненной реальности на движущемся объекте -  патент 2527132 (27.08.2014)
навигационная система -  патент 2526740 (27.08.2014)
навигационное устройство, способ управления работой и мобильное оконечное устройство -  патент 2526470 (20.08.2014)
углоизмерительный прибор -  патент 2525652 (20.08.2014)
активный ультрафиолетовый солнечный датчик для системы ориентации малоразмерного космического аппарата -  патент 2525634 (20.08.2014)
способы, устройства и картографические базы данных для прокладки "зеленого" маршрута -  патент 2523192 (20.07.2014)
эффективный способ привязки местоположения -  патент 2523171 (20.07.2014)
способ снижения погрешности оценок собственных координат автономного необитаемого подводного аппарата с инерциальной навигационной системой -  патент 2520960 (27.06.2014)
Наверх