СПОСОБ НАВИГАЦИИ ДВИЖУЩИХСЯ ОБЪЕКТОВ
METHOD FOR NAVIGATION OF MOVING OBJECTS

Изобретение относится к области навигации движущихся объектов и может быть использовано при построении различных систем локации, предназначенных для определения местоположения движущихся объектов, управления их движением и обеспечения навигации движущихся объектов.
Известен способ навигации движущихся объектов (ДО) [1]. Способ навигации [1] осуществляется следующим образом.
Используют информацию эталонной карты местности, установленной на ДО до начала движения, о навигационном поле земли.
Выбирают необходимый участок местности эталонной карты, который представляет собой мерный участок и определяется величиной допустимых отклонений местоположения ДО от заданного (квадрат неопределенности).
Составляют текущую карту путем измерения параметров мерного участка с помощью трех лучей радиоволн, расположенных в одной плоскости, которая находится перпендикулярно направлению движения ДО.
Лучи радиоволн циклически 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 совпадает с направлением распространения первого луча, причем направления распространения одной части лучей находятся слева (по направлению движения ДО) от первого луча, а другой части - справа (по направлению движения ДО) от первого луча.
Вычисляют параметры мерного участка (высоту до поверхности мерного участка в точках пересечения лучей с поверхностью мерного участка в точках измерений) на основе измерений дальностей с помощью лучей радиоволн от ДО до поверхности мерного участка.
Проводят вычисления, аналогичные описанным выше, по эталонной карте для каждого возможного положения ДО 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 ДО в плановых координатах мерного участка на основе анализа взаимных смещений эталонной и текущей карт местности мерного участка (смещение экстремума показателя близости от центра квадрата неопределенности).
Вычисляют высоту ДО над поверхностью мерного участка в координатах мерного участка (в точке определения местоположения ДО в плановых координатах мерного участка).
Выдают поправки к координатам местоположения ЛА в плановых координатах мерного участка по трем координатам.
Управляют движением ЛА путем коррекции их местоположения по трем координатам по мере прохождения мерного участка.
Недостатком способа [1] является отсутствие информации об углах эволюции движущегося объекта. Дело в том, что при движении положение ДО в пространстве - динамическое: постоянно возникают и действуют на условия измерений углы азимута, крена и тангажа [2]. Однако, углы азимута, крена и тангажа ДО в моменты проведения измерений не учитываются, что снижает точность навигации ДО.
Известен способ навигации движущихся объектов (ДО) [3], выбранный за прототип. Способ навигации [3] осуществляется следующим образом.
Используют информацию эталонной карты местности, установленной на ДО до начала движения, о навигационном поле земли.
Выбирают необходимый участок местности эталонной карты, который представляет собой мерный участок.
Составляют текущую карту путем измерения параметров мерного участка с помощью трех лучей радиоволн. Циклически излучают лучи радиоволн: вначале первый - центральный луч (по направлению движения ДО), вторым - левый луч и третьим - правый луч относительно центрального луча. Лучи радиоволн находятся в одной плоскости (плоскость лучей), перпендикулярной направлению движения ДО.
При составлении текущей карты местности используют данные об измеренных значениях дальности с помощью лучей радиоволн, а также значения скорости и углах эволюций ДО (тангаж, крен и курс - априорно известные данные, полученные от иной системы измерения (инерциальная система навигации - ИНС) до проведения указанных ниже измерений). При этом данные об угле тангажа имеют собственную погрешность измерения.
Измеряют дальности и интегральные параметры (ИП) 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.
Вычисляют параметры мерного участка (высоту до поверхности мерного участка в точках измерений) на основе измерений дальностей с помощью лучей радиоволн от ДО до поверхности мерного участка.
Проводят вычисления, аналогичные описанным выше, по эталонной карте для каждого возможного положения ДО 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 ДО в плановых координатах мерного участка на основе анализа взаимных смещений эталонной и текущей карт местности мерного участка (смещение экстремума показателя близости от центра квадрата неопределенности).
Вычисляют высоту ДО над поверхностью мерного участка в координатах мерного участка (в точке определения местоположения ДО в плановых координатах мерного участка).
Для устранения погрешности измерения за счет колебаний ДО по тангажу, измеряют и запоминают интегральные параметры (ИП) измеренных отраженных сигналов по всем трем лучам при последнем измерении наклонных дальностей.
Определяют на эталонной карте по определенным ранее точкам измерений в местной системе координат при последнем измерении дальностей средний угол наклона поверхности и тип подстилающей поверхности для каждого из лучей при последнем измерении.
Используют базу данных об ИП 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 ДО по тангажу, используя ИП эталонных и измеренных отраженных сигналов по каждому лучу.
Уточняют поправки к координатам ДО по плановым координатам и высоте на основе определения дополнительного угла отклонения от вертикали по тангажу каждого луча.
Выдают поправки к координатам местоположения ДО в плановых координатах мерного участка по трем координатам.
Управляют движением ДО путем коррекции его местоположения по трем координатам (плановые и высота) по мере прохождения мерного участка.
Недостатком способа [3] является низкая точность определения дополнительного угла отклонения от вертикали по тангажу, поскольку данные об ИП эталонных отраженных сигналов для трех лучей с учетом отклонения луча от вертикали, среднего угла наклона поверхности и типа подстилающей поверхности для каждого луча не учитывают конкретный рельеф местности на мерном участке. Кроме этого, отсутствие информации о других углах эволюции движущегося объекта, кроме тангажа, дополнительно снижает точность навигации ДО.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение точности навигации за счет определения углов эволюции движущегося объекта - азимута, крена и тангажа при каждом цикле измерений дальности при движении ДО над мерным участком путем измерения доплеровских частот, возникающих при измерении наклонной дальности.
Технический результат достигается тем, что в способе навигации движущихся объектов, 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 мерного участка на основе измерений дальностей с помощью многолучевого режима измерения при помощи радиоволн, циклически излучаемых в виде лучей, из которых первым излучают центральный, а потом - левые и правые боковые относительно центрального, определении разности результатов многолучевых измерений, определении угловых колебаний движущихся объектов по тангажу, сравнении значений плановых координат текущей и эталонной карт, вычислении местоположения движущихся объектов по трем координатам эталонной карты (плановые координаты и высота), вычислении сигнала коррекции траектории движения и управлении движением движущихся объектов путем коррекции их местоположения по трем координатам эталонной карты (плановые координаты и высота) за время движения движущихся объектов над мерным участком при составлении текущей карты на основе измерений дальностей с помощью многолучевого режима измерения лучи радиоволн расположены в двух ортогональных плоскостях, каждая из которых повернута вокруг центрального луча на угол, равный 45 градусов, относительно продольной оси движущихся объектов, а центральный луч перпендикулярен продольной оси движущихся объектов. Лучи радиоволн сгруппированы так, что к одной ортогональной плоскости принадлежат первый луч центральный, левые лучи боковые, расположенные впереди центрального луча, и правые лучи боковые, расположенные сзади центрального луча, а к другой ортогональной плоскости принадлежат первый луч центральный, левые лучи боковые, расположенные сзади центрального луча, и правые лучи боковые, расположенные впереди центрального луча по направлению движения движущихся объектов. Боковые лучи, принадлежащие одной плоскости, попарно симметричны относительно центрального луча. Вычисление сигнала коррекции траектории движения движущихся объектов осуществляют с учетом, кроме угла тангажа, углов азимута и крена. Углы эволюции - азимут, крен и тангаж определяют в динамике на основе анализа значений доплеровских частот, возникающих при измерениях дальностей по каждому лучу. Для анализа значений доплеровских частот используют массив значений доплеровских частот, получаемый по измерениям доплеровских частот левых и правых боковых лучей для каждой ортогональной плоскости при каждом цикле многолучевого режима измерения. Значение и знак углов азимута, крена и тангажа при каждом измерении дальностей определяют путем сравнения измеренного массива значений доплеровских частот с массивом значений доплеровских частот, соответствующего нулевым значениям углов азимута, крена и тангажа для каждого из боковых лучей ортогональных плоскостей соответственно.
Способ навигации ДО поясняют следующие чертежи:
- на фигуре 1 показаны две ортогональные плоскости А и В; в плоскости А расположены лучи: центральный, первый левый и первый правый; в плоскости В расположены лучи: центральный, второй левый и второй правый; указано положение плоскостей А и В относительно направления движения;
- на фигуре 2 определены углы азимута, крена и тангажа;
<mrow><mover><mstyle mathsize="140%" displaystyle="true"><mi>V</mi></mstyle><mo>→</mo></mover></mrow>
- на фигуре 3 показана связанная система координат движущегося объекта согласно ГОСТ 20058-80 [3], ОХ - продольная ось связанной системы координат ДО, OY - нормальная ось связанной системы координат ДО, скорость
- скорость начала О связанной системы координат ДО;
Д
Т
К
А
- на фигуре 4 показан массив значений доплеровских частот F (черные треугольники, обозначенные как 1-4) на подстилающей поверхности в плановых координатах мерного участка при действии угла тангажа α>0 для нулевых значений углов крена и азимута α=α=0, черные точки - значение доплеровской частоты при отсутствии углов эволюции;
Д
К
Т
А
- на фигуре 5 показан массив значений доплеровских частот F (черные треугольники, обозначенные как 1-4) на подстилающей поверхности в плановых координатах мерного участка при действии угла крена α>0 для нулевых значений углов тангажа и азимута α=α=0, черные точки - значение доплеровской частоты при отсутствии углов эволюции;
Д
А
К
T
- на фигуре 6 показан массив значений доплеровских частот F (черные треугольники, обозначенные как 1-4) на подстилающей поверхности в плановых координатах мерного участка при действии угла азимута α>0 для нулевых значений углов крена и тангажа α=α=0, черные точки - значение доплеровской частоты при отсутствии углов эволюции.
Способ навигации реализуется следующим образом.
Реализацию способа навигации ДО рассмотрим на примере составления текущей карты с помощью многолучевых измерений с использованием пяти лучей радиоволн, которые расположены в плоскостях А и В (по три в каждой плоскости) (фиг. 1).
Будем использовать корреляционно-экстремальный способ навигации (КЭСН), основанный на сравнении текущих карт местности с эталонными картами той же местности, в основе которого лежит определение местоположения ДО с последующим управлением движением ДО путем коррекции их местоположения. Эталонные карты устанавливают на ДО до момента начала движения над заданной поверхностью местности, а текущие карты получают во время движения ДО. По отклонениям эталонных карт местности от текущих в заданной точке траектории движения ДО определяют отклонение фактической траектории от заданной, по которому вырабатывают сигнал коррекции траектории движения и управляют движением движущихся объектов путем коррекции их местоположения.
Сравнение эталонной и текущей карт осуществляется на основе вычисления функционалов, достигающих глобального экстремума при полном совмещении изображений указанных карт. Для обработки полученной при движении ДО информации используют разностные алгоритмы, основанные на вычислении разностей измеренных наклонных дальностей текущей карты.
За время движения над мерным участком определяют текущую карту местности, для составления которой используют данные об измеренных значениях дальности с помощью лучей радиоволн, а также значения скорости и углов эволюций ДО (тангаж, крен и азимут) - априори известные данные, полученные другими средствами (инерциальная система ДО) до проведения указанных ниже измерений.
Исходными данными для вычислений в КЭСН являются:
- эталонная карта, представляющая собой массив данных о рельефе местности;
- база данных зависимости значений и знаков углов азимута, крена и тангажа от изменения массива значений измеренных доплеровских частот по сравнению массивом значений доплеровских частот при нулевых значениях углов азимута, крена и тангажа (массив значений эталонных доплеровских частот);
- текущая карта, представляющая собой массив измеренных дальностей по всем лучам, полученных в каждом измерении для двух ортогональных плоскостей.
Излучают циклически лучи радиоволн. В каждом цикле лучи радиоволн излучают последовательно в следующем порядке. Центральный луч принадлежит к двум плоскостям: А и В. Вначале излучают лучи плоскости А: первым - центральный луч, расположенный перпендикулярно направлению движения ДО (фиг. 1), вторым - первый левый луч, расположенный слева впереди относительно центрального по направлению движения ДО, третьим - первый правый луч, расположенный справа сзади относительно центрального по направлению движения ДО. Затем излучают лучи плоскости В: четвертым - второй левый луч, расположенный слева сзади относительно центрального по направлению движения ДО, пятым - второй правый луч, расположенный справа спереди относительно центрального по направлению движения ДО (фиг. 1). Угол между левыми лучами и центральным лучом равен углам между правыми лучами и центральным лучом. Плоскости А и В повернуты вокруг центрального луча на угол, равный 45 градусов, относительно продольной оси движущихся объектов и ортогональны друг другу.
Измеряют циклически дальности до рельефа местности по каждому из пяти лучей (фиг. 1).
Д
Измеряют циклически доплеровские частоты F, возникающие при измерениях дальностей в боковых лучах: первый и второй левые лучи и первый и второй правые лучи. Доплеровские частоты для данного цикла измерений составляют массив частот, который определяется четырьмя значениями: значениями доплеровских частот отраженных сигналов по левым (первому и второму) и правым (первому и второму) лучам соответственно - четыре черных точки на фиг. 4-6.
Определяют разности измерений дальностей первого левого и центрального лучей, первого правого и центрального лучей, второго левого и центрального лучей, второго правого и центрального лучей текущего цикла измерений, а также вычисляют разности измерений центрального луча в текущем цикле и в предыдущем.
К
Т
А
При движении ДО действуют углы эволюций: углы крена α, тангажа α и азимута α (фиг. 2).
Определяют значение и знак углов азимута, крена и тангажа при каждом цикле измерения дальностей, сравнивая массив измеренных доплеровских частот с массивом эталонных доплеровских частот.
По полученным данным о дальностях, а также об углах эволюции ДО вычисляют координаты точек измерений в системе координат, связанной с ДО (фиг. 3).
Вычисляют местные координаты проекции точки траектории ДО на плоскость плановых координат в координатах мерного участка.
Вычисляют параметры мерного участка (высоту до поверхности мерного участка в точках измерений) на основе разности измерений дальностей от ДО до поверхности мерного участка и определенных значений углов эволюций азимута, крена и тангажа (текущая карта).
Вычисляют в каждом цикле измерений для всех гипотез внутри квадрата неопределенности слагаемое показателя близости текущей и эталонной карт.
Проводят по завершении всех измерений поиск экстремума показателя близости.
Определяют поправки к координатам местоположения ДО по плановым координатам мерного участка и высоте.
Выдают поправки к координатам местоположения ДО в плановых координатах мерного участка по трем координатам с учетом углов эволюции.
Управляют движением ДО путем коррекции его местоположения по трем координатам (плановые и высота).
Управление движением ДО осуществляется в темпе поступления измеренной информации, но с более высокой точностью, поскольку по мере прохождения мерного участка осуществляется коррекция местоположения ДО с учетом поправок на действующие углы эволюций.
Рассмотрим предложенный алгоритм подробнее.
В каждом цикле измерений используют пять лучей (фиг. 1), которые дают пять значений дальности и четыре значения доплеровских частот (центральный луч дает нулевую частоту).
Т
К
А
Д
При отсутствии углов эволюции ДО, когда α=α=α=0, значения доплеровских частот для всех боковых лучей равны между собой и определены как F. На фиг. 4-6 эта частота обозначена черными точками.
При наличии углов эволюций ДО значения доплеровских частот для каждого луча изменяются (происходит их смещение):
Т
К
А
- при действии угла тангажа, когда α≠0, для нулевых значений углов крена и азимута α=α=0 происходит смещение точек пересечения лучей с поверхностью относительно направления движения (фиг. 4); доплеровские частоты принимают значения, обозначенные черными треугольникам с номерами 1-4;
К
Т
А
- при действии угла крена, когда α≠0, для нулевых значений углов тангажа и азимута α=α=0 происходит смещение точек пересечения лучей с поверхностью относительно направления движения (фиг. 5); доплеровские частоты принимают значения, обозначенные черными треугольникам с номерами 1-4;
А
К
Т
- при действии угла азимута, когда α≠0, для нулевых значений углов крена и тангажа α=α=0 происходит смещение точек пересечения лучей с поверхностью относительно направления движения (фиг. 6); доплеровские частоты принимают значения, обозначенные черными треугольникам с номерами 1-4.
Направление смещения значений доплеровских частот (вверх-вниз, вправо-влево и т.д.) определяется знаком соответствующего угла эволюции (фиг. 4-6).
По сдвигу (изменению) массива измеренных доплеровских частот (фиг. 4-6) относительно массива доплеровских частот, соответствующих нулевым значениям углов азимута, крена и тангажа, определяют и фиксируют значение и знак углов азимута, крена и тангажа при каждом цикле измерения дальностей. При этом измеренная доплеровская частота представляет собой среднее значение доплеровских частот за период измерения одной дальности на траектории движения ДО по каждому лучу.
Сдвиг (изменение) массивов доплеровских частот определяют по четырем боковым лучам в каждом цикле измерений.
Определяют в каждом цикле измерений значения и знаки углов азимута, крена и тангажа по базе данных зависимости значений и знака углов азимута, крена и тангажа от изменения (сдвига) массива значений измеренных доплеровских частот относительно массива значений эталонных доплеровских частот.
Поскольку число лучей изменилось по сравнению с прототипом, то показатель близости для пяти зондирующих лучей запишем в виде
hx
hy
hx
hy
hx
hy
<mrow><msubsup><mi>H</mi><mi>k</mi><mrow><mi>х</mi><mi>Ц</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>H</mi><mi>k</mi><mrow><mi>Ц</mi><mi>Ц</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>H</mi><mrow><mi>Э</mi><mo>,</mo><mi>k</mi></mrow><mrow><mi>х</mi><mi>Ц</mi></mrow></msubsup><mrow><mo>(</mo><mo>⋅</mo><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><msubsup><mi>H</mi><mrow><mi>Э</mi><mo>,</mo><mi>k</mi></mrow><mrow><mi>Ц</mi><mi>Ц</mi></mrow></msubsup><mrow><mo>(</mo><mo>⋅</mo><mo>)</mo></mrow></mrow>
Здесь использованы обозначения: ПЛЦ - первый левый-центральный (лучи), ППЦ - первый правый-центральный (лучи), ВЛЦ - второй левый-центральный (лучи), ВПЦ - второй правый-центральный (лучи), ЦЦ - центральный-центральный лучи и обозначено: n и n - горизонтальное и вертикальное смещения текущей карты относительно эталонной, которое отсчитываются от левого нижнего угла эталонной карты, для которого n=n=0; К - количество измерений;
- разность измеренных в k-м измерении значений высоты по x (левому или правому) и центральному лучам;
- разность значений высоты измеренных в k-м и (k-1)-м измерениях по центральному лучу;
- разность определенных для некоторой гипотезы (для определенного значения n и n) значений высоты по данным эталонной карты на k-м измерении по х (левому или правому) и центральному лучам;
- разность определенных для некоторой гипотезы значений высоты по данным эталонной карты на k-м и (k-1)-м измерениях по центральному лучу.
T
К
А
Д0
Можно оценить степень влияния углов эволюции на доплеровскую частоту. При отсутствии углов эволюций α=α=α=0 доплеровская частота будет равна константе F=const, которая определяется скоростью движения ДО, длиной волны излучаемых радиоволн и углом отклонения направления излучения от вектора скорости ДО. Так, при скорости движении ДО, равной 330 м/с, частоте излучения 10 ГГц, при горизонтальном полете, для угла между боковыми лучами и вертикалью 10° и при отсутствии углов эволюции ДО доплеровская частота составит 22 кГц.
T
К
А
T
К
А
T
К
А
Отклонение доплеровской частоты при α=α=0 и α=10° составит 900 Гц, отклонение доплеровской частоты при α=α=0 и α=1° составит 70 Гц, отклонение доплеровской частоты при α=α=0 и α=0,1° составит 7 Гц. Моделирование рассмотренного алгоритма, а также анализ состояния современной техники показали, что способ позволяет выявить значения углов эволюции при их изменении на 0,1°.
Важно отметить, что рассмотренный способ навигации ДО с предложенным алгоритмом сохраняет свои положительные свойства и при большем количестве лучей радиоволн (центральный луч остается один, а количество боковых лучей слева и справа относительно центрального увеличивается и может быть по два, по три и д.т.). При этом за счет получения дополнительной информации по доплеровским частотам повышается точность определения углов эволюции. Число используемых лучей радиоволн определяется только временем, в течение которого обеспечивается измерение местоположения ДО при движении над мерным участком поверхности.
Таким образом, способ навигации движущихся объектов обладает рядом существенных преимуществ перед аналогом и прототипом, поскольку значительно повышается точность навигации - повышается точность определения поправок к координатам ДО по трем координатам за счет учета действия углов эволюции ДО - азимуту, крену и тангажу при движении ДО.
Управление движением ДО осуществляется в темпе поступления измеренной информации, но с более высокой точностью, поскольку по мере прохождения мерного участка коррекция местоположения ДО осуществляется с учетом возникающих углов эволюции ДО.
ЛИТЕРАТУРА
1 Патент №2338158 РФ. МПК G01С 21/00 (2006.01). Способ навигации летательных аппаратов / Хрусталев А.А., Кольцов Ю.В. Егоров С.Н. // Изобретения. Полезные модели. - 2008. - Опубл. 10.11.2008. - Бюл. №31.
2 ГОСТ 20058-80. Динамика летательного аппарата в атмосфере. Термины, определения и обозначения. - М.: Госкомитет по стандартам, 1980. - 54 С.
3 Патент №2471152 РФ МПК G01C 23/00 (2006.01), G01S 5/02 (2010.01). Способ навигации летательных аппаратов / Хрусталев А.А., Кольцов Ю.В. // Изобретения. Полезные модели. - 2012. - Опубл. 27.12.2012. - Бюл. №36. (прототип).