способ определения начальной выставки бесплатформенного инерциального блока относительно базовой системы координат

Формула изобретения

Способ определения начальной выставки приборной системы координат бесплатформенного инерциального блока управляемого объекта, установленного на пусковой установке, относительно базовой (стартовой) системы координат, материализованной стабилизированной платформой курсовертикали, установленной также на пусковой установке, заключающийся в развороте вместе с пусковой установкой управляемого объекта на требуемые углы возвышения и азимута, отличающийся тем, что

по сигналам с датчиков угловой скорости бесплатформенного инерциального блока в вычислительном устройстве во время разворота пусковой установки формируют матрицу поворота и определяют угол вектора поворота бесплатформенного инерциального блока относительно инерциального пространства и его проекции на оси приборной системы координат;

по сигналам акселерометров бесплатформенного инерциального блока в неподвижном относительно Земли положении определяют в цифровом вычислительном устройстве приращение проекций вектора кажущейся скорости на оси приборной системы координат и углы вертикали относительно приборной системы координат;

по сигналам с датчиков углов курсовертикали в вычислительном устройстве определяют матрицу поворота связанной системы координат относительно стабилизированной платформы курсовертикали;

по проекциям приращения вектора кажущейся скорости на оси базовой системы координат и матрице поворота связанной системы координат относительно стабилизированной платформы определяют приращение вектора кажущейся скорости на оси связанной системы координат;

по матрице поворота связанной системы относительно стабилизированной платформы и матрице поворота стабилизированной платформы относительно инерциального пространства определяют угол вектора поворота связанной системы относительно инерциального пространства и его проекции на оси связанной системы координат;

по полученным значениям приращений проекции векторов поворота и кажущейся скорости определяют угловые положения приборной системы координат относительно базовой системы;

по сигналам акселерометров уточняют положение приборной системы координат относительно вертикали места выставки.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано при создании инерциальных систем управления для определения навигационных параметров управляемых подвижных объектов с помощью бесплатформенной инерциальной навигационной системы (БИНС).

Известны способы определения навигационных параметров при использовании бесплатформенных инерциальных навигационных систем (С.С.Ривкин, З.М.Берман, И.М.Окон. "Определение параметров ориентации объекта бесплатформенной инерциальной системой" - СПБ: ГНЦ РФ - ЦНИИ "Электроприбор" 1996 год; С.А.Зайцев, А.И.Калинин, Ф.И.Макарченко, Е.Л.Межирицкий, Г.Н.Румянцев "Способ определения навигационных параметров управляемых подвижных объектов и устройство для его осуществления" - заявка на изобретение №2003114979 от 20.05.2003 г. МПК G 01 С 21/24).

Одним из важнейших требований, предъявляемых к бесплатформенным инерциальным навигационным системам, является необходимость начальной выставки приборной системы координат (ПСК) бесплатформенного инерциального блока (БИБ) относительно базовой системы координат.

Ряд способов выставки инерциальных систем изложен в книге А.Липтона "Выставка инерциальных систем на подвижном основании". Издательство "Наука", Москва, 1971 год.

Известен способ выставки неуправляемого подвижного объекта, установленного на пусковой установке. Начальная выставка объекта заключается в том, что объект вместе с пусковой установкой специальным устройством разворачивают на заданный азимут стрельбы относительно известного направления на Север и на заданный угол возвышения относительно известного положения плоскости горизонта. Точность стрельбы неуправляемыми подвижными объектами не удовлетворяет современным требованиям.

Для повышения точности стрельбы используют управляемые подвижные объекты. Для управляемых подвижных объектов используют бесплатформенную инерциальную навигационную систему управления. Положение приборной системы координат, связанной с бесплатформенным инерциальным блоком, в момент начала решения навигационной задачи должно быть определено относительно базовой системы координат с большой точностью.

Будем использовать следующие системы координат.

OXYZ - стартовая система координат.

Ось OX расположена в плоскости горизонта и отклонена от направления на Север на угол, равный азимуту стрельбы.

Ось OY параллельна отвесу в точке старта и направлена вверх от центра Земли.

Ось OZ образует с осями ОХ и OY правую прямоугольную систему координат.

OX ₁Y₁Z₁ - система координат, связанная с объектом.

Ось OX₁ направлена вдоль продольной оси объекта.

Ось OY₁ расположена в вертикальной плоскости симметрии объекта.

Ось OZ₁ образует с осями OX₁ и OY₁ правую прямоугольную систему координат.

Положение системы координат OX₁ Y₁Z₁ определяется относительно стабилизированной платформы курсовертикали (KB) по сигналам с датчиков углов, установленных на осях карданова подвеса. Стабилизированная платформа курсовертикали материализует базовую (стартовую) систему координат.

OX _nY_nZ_n - приборная система координат, которая определяется установочной поверхностью бесплатформенного инерциального блока. Приборная система координат OX_n Y_nZ_n в "идеальном" случае должна совпадать с системой OX₁Y₁Z₁ . В общем случае оси этих систем координат не совпадают между собой и их взаимное положение необходимо определить.

Очевидно, что начальную выставку БИБ относительно базовой системы координат можно определить, если осуществить выставку приборной системы координат БИБ относительно строительных осей объекта и обеспечить определение положения строительных осей объекта относительно базовой системы координат с требуемой точностью.

Для решения задачи начальной выставки БИБ предлагается использовать известный метод векторного согласования систем координат. Для реализации этого метода необходимо определить не менее двух неколлинеарных векторов, которые могут быть измерены в приборной и базовой системе координат (А.В.Репников, С.П.Сачков, А.И.Черноморский. Гироскопические системы. М.: Машиностроение, 1983 г.).

Предлагаемый способ, обеспечивающий повышение точности начальной выставки приборной системы координат БИБ относительно базовой стартовой системы координат, предполагает использование показаний чувствительных элементов БИБ и курсовертикали (KB).

В бесплатформенных инерциальных навигационных системах в качестве чувствительных элементов БИБ используются акселерометры для измерения вектора кажущегося ускорения и датчики угловых скоростей (ДУСы) для измерения абсолютной угловой скорости управляемого объекта.

На чертеже показана схема расположения на пусковой установке (1) управляемого объекта (4), бесплатформенного инерциального блока (6), бортового (5) и наземного (3) цифровых вычислительных устройств (БЦВУ и НЦВУ), курсовертикали (2), рамы (9) устройства поворота пусковой установки с двигателем вращения по углу азимута (8) и двигателем вращения по углу возвышения (7).

Предлагаемый авторами способ основан на измерении приращений проекций вектора кажущейся скорости от действия ускорения силы тяжести и проекций вектора поворота пусковой установки (ПУ) вместе с БИБ. Поворот ПУ осуществляется по углам азимута и возвышения специальным устройством. Углы поворота ПУ относительно стабилизированной платформы KB определяются в НЦВУ (3) по сигналам с датчиков углов, установленных на осях карданова подвеса KB, и передаются в БЦВУ (5). В процессе определения начальной выставки производится обмен необходимой информацией между НЦВУ и БЦВУ.

Одним из существенных требований, предъявляемых к ПУ, является обеспечение жесткости конструкции между корпусом KB и местом установки БИБ, т.е. обеспечение неподвижности БИБ относительно КВ.

Точность выставки в условиях неподвижности БИБ относительно Земли будет определяться точностью определения ориентации связанной с корпусом курсовертикали системы координат относительно базовой системы и точностью чувствительных элементов БИБ. Влияние внешних помех (ветер, колебания почвы и др.) на точность определения начальной выставки можно уменьшить, используя известные методы фильтрации.

Предлагаемый комбинированный способ начальной выставки приборной системы координат БИБ сочетает автономный способ определения вертикали места по сигналам акселерометров БИБ и неавтономный способ определения азимута методом векторного согласования систем координат по сигналам акселерометров и датчиков угловой скорости БИБ и по сигналам датчиков углов курсовертикали. Способ отличается совокупностью следующих основных признаков:

- использованием показаний чувствительных элементов БИБ и KB;

- формированием проекций вектора поворота ПУ и приращений проекций ВКС;

- уточнением начальной выставки по показаниям акселерометров БИБ.

Способ состоит из выполнения следующих операций.

По сигналам с датчиков угловой скорости БИБ (6) в БЦВУ (5) в течение некоторого времени разворота БИБ (6) вместе с ПУ (1) решают матричное уравнение Пуассона где - вектор угловой скорости, С(t) - матрица поворота.

По приращению матрицы С(t) за время разворота ПУ (1) определяют в БЦВУ (5) угол вектора поворота БИБ (6) относительно инерциального пространства и его проекции на оси приборной системы координат.

По сигналам акселерометров БИБ (6) определяют в БЦВУ (5) приращение проекций вектора кажущейся скорости (ВКС) на оси приборной системы координат за некоторое время удержания ПУ (1) в неподвижном состоянии относительно Земли и определяют направление вертикали.

По величинам углов, полученным по сигналам с датчиков углов KB (2) в моменты начала и конца разворота ПУ (1), определяют матрицу поворота связанной системы координат относительно стабилизированной платформы KB (2).

По проекциям приращений ВКС на оси базовой системы координат за время удержания ПУ (1) в неподвижном состоянии относительно Земли и матрице поворота системы координат, связанной с корпусом KB (2), определяют в БЦВУ (5) приращение проекций ВКС на оси системы координат, связанной с корпусом KB (2).

По матрице поворота корпуса KB (2) относительно ее стабилизированной платформы и матрице поворота стабилизированной платформы относительно инерциального пространства за время разворота ПУ (1) определяют в БЦВУ (5) угол вектора поворота системы координат, связанной с корпусом KB (2), относительно инерциального пространства и его проекции на оси системы координат, связанной с корпусом KB (2).

По полученным значениям приращений проекций ВКС и вектора поворота на оси связанной и приборной систем координат определяют в БЦВУ (5) угловое положение приборной системы координат относительно связанной системы координат и относительно базовой системы координат.

По сигналам акселерометров БИБ (6) уточняют в БЦВУ (5) угловое положение приборной системы координат относительно вертикали места выставки.

Путем соответствующих программных разворотов ПУ (1) можно сформировать несколько неколлинеарных векторов разворота ПУ (1) и несколько неколлинеарных векторов приращений ВКС у приборной и связанной систем координат. Любое сочетание пар из этого набора векторов позволяет однозначно определить начальную ориентацию приборной системы координат относительно базовой.

При использовании предлагаемого технического решения достигается уменьшение времени и повышение точности определения начальной выставки приборной системы координат относительно базовой системы, что и является техническим результатом данного изобретения. Предлагаемый способ может быть также использован при калибровке чувствительных элементов БИБ.

На чертеже обозначено:

1 - пусковая установка (ПУ);

2 - курсовертикаль (KB);

3 - наземное цифровое вычислительное устройство (НЦВУ);

4 - управляемый объект (УО);

5 - бортовое цифровое вычислительное устройство (БЦВУ);

6 - бесплатформенный инерциальный блок (БИБ);

7 - двигатель вращения ПУ по углу возвышения;

8 - двигатель вращения ПУ по углу азимута;

9 - рама устройства поворота ПУ;

OXYZ - стартовая система координат;

OX_пY_пZ_п - приборная система координат;

OX₁Y₁Z₁ - связанная с управляемым объектом система координат.