АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА НАВИГАЦИИ И ТОПОПРИВЯЗКИ
AUTOMATED SYSTEM OF NAVIGATION AND SURVEY CONTROL

Изобретение относится к области навигации наземных транспортных средств и может быть использовано в навигационных системах с использованием информации от датчиков различного типа.
Известна комплексная аппаратура счисления координат (см. патент RU №2195632 С2, опубл. 27.12.2002 г.), принятая за прототип. Комплексная аппаратура счисления координат относится к навигации наземных транспортных средств, а именно к интегрированной (комплексной) навигационной аппаратуре на основе аппаратуры счисления координат с использованием датчиков приращения пути: датчика скорости механического, датчика скорости доплеровского, гироскопического датчика угла направления скорости и позиционной навигационной аппаратуры (спутниковой). В комплексной аппаратуре счисления координат применяется совместная обработка в вычислительной машине (бортовой ЭВМ) показаний аппаратуры счисления координат и навигационной аппаратуры потребителя спутниковой навигационной системы на основе автоматической регулировки первых по вторым.
Недостатками прототипа являются:
- значительная погрешность измеряемых навигационных параметров и ограниченный перечень решаемых задач;
- недостаточные возможности по корректированию поступающей первичной навигационной информации;
- недостаточная автономность аппаратуры из-за зависимости от природных и метеоусловий при нарушении радиовидимости навигационных космических аппаратов, что к тому же приводит к снижению точности измеряемых навигационных параметров;
- невысокая предельно достижимая точность определения дирекционного угла при помощи гироскопического измерителя курса;
- высокая зависимость точности определения координат от времени работы и расстояния, пройденного объектом, при потере возможности комплексной обработки поступающих сигналов (при отсутствии сигнала со спутниковой навигационной аппаратуры);
- длительное время приведения системы в состояние готовности к работе;
- отсутствие возможности определения высоты объекта и привязываемых точек.
Предлагаемым изобретением решается задача по повышению точности системы навигации при высокой степени ее автономности.
Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, заключается в создании автоматизированной системы навигации и топопривязки, обладающей повышенной точностью определения навигационных параметров за счет использования навигационной аппаратуры, в которой осуществляется комплексирование первичной навигационной информации, полученной с датчиков, построенных на различных физических принципах, бортовой ЭВМ, обеспечивающей автоматизацию принятия решений с возможностью исключения "человеческого фактора", автоматическую прокладка маршрута по заданным точкам с учетом рельефа местности, погодных условий, времени года и суток с отображением маршрута движения.
Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемой автоматизированной системе навигации и топопривязки (АСНТ), содержащей комплексную навигационную аппаратуру на основе аппаратуры счисления координат с использованием датчиков скорости механического (ДСМ) и доплеровского (ДСД), датчика угла направления скорости, спутниковую навигационную аппаратуру, бортовую ЭВМ, новым является то, что в качестве основного элемента аппаратуры счисления координат используется бесплатформенная инерциальная навигационная система (БИНС), оснащенная вычислителем навигационных параметров (ВНП), выполненным с возможностью автоматического учета температурных поправок, и датчиками первичной информации - инерциальными датчиками: лазерными гироскопами (ЛГ) и кварцевыми акселерометрами (КА), в аппаратуру счисления координат введен дополнительный датчик - барометрический высотомер (БВ), спутниковая навигационная аппаратура (СНА) оснащена антенной системой (АС), состоящей из четырех антенных модулей (AM), обеспечивающих возможность обеспечения выдачи значения углового положения объекта, в АСНТ дополнительно введены выносной комплекс спутниковой навигационной аппаратуры (ВК СНА), оснащенный переносным накопителем навигационной информации (ННИ), бортовая ЭВМ связана по соответствующим каналам обмена и управления с вышеперечисленной аппаратурой, дополнительно - с аппаратурой передачи данных (АПД) и оснащена специальными программными средствами, обеспечивающими работу в следующих основных режимах: навигации, работы с цифровой картой местности (ЦКМ), решения сервисных задач, передачи данных по системе связи и передачи данных (ССПД), контроля технического состояния.
В АСНТ дополнительно введено устройство контроля качества (УКК) навигационных полей спутниковых систем и формирования корректирующей информации.
Использование в качестве основного элемента аппаратуры счисления координат бесплатформенной инерциальная навигационная система (БИНС) позволяет:
- обеспечить непрерывное определение в реальном масштабе времени параметров местоположения и угловой ориентации объекта на стоянке и в движении: координат и высоты, углов курса, крена и тангажа, линейных и угловых скоростей и ускорений (в движении) в заданной системе координат в любое время суток, на заданных географических широтах в простых и сложных метеоусловиях;
- обеспечить двухсторонний обмен информацией, командами управления с бортовой ЭВМ объекта по интерфейсу RS-232.
Оснащение БИНС вычислителем навигационных параметров, выполненным с возможностью автоматического учета температурных поправок, позволяет:
- не осуществлять термостатирование лазерных гироскопов;
- проводить автоматический учет температурных поправок в вычислителе БИНС;
- сократить время готовности системы к работе.
Использование в качестве датчиков первичной информации БИНС лазерных гироскопов (ЛГ) позволяет:
- получить первичную информацию высокой точности об угловых скоростях вращения по осям трехгранников, образованных тремя лазерными гироскопами;
- получить информацию от температурных датчиков ЛГ;
- получить данную информацию в оцифрованном виде за счет встроенных средств цифровой обработки сигналов;
- сократить время готовности системы к работе.
Использование в качестве датчиков первичной информации БИНС кварцевых акселерометров (КА) позволяет:
- измерить проекции линейного ускорения объекта по 3-м осям X, Y, Z строительной (связанной) системы координат изделия;
- выдать аналоговые электрические сигналы, пропорциональные по величинам и соответствующие по знакам измеряемым проекциям линейного ускорения, для дальнейшей обработки и перевода в цифровой код;
- выдать электрические сигналы от температурных датчиков акселерометров.
Введение в аппаратуру счисления координат дополнительного датчика - барометрического высотомера (БВ) позволяет:
- обеспечить автоматическое определение высоты точек местности на маршруте относительно исходного (начального) пункта маршрута движения с известным значением высоты над уровнем моря;
- обеспечить обмен информацией с бортовой ЭВМ по интерфейсу RS-232;
- обеспечить прием от бортовой ЭВМ значения высоты исходного пункта маршрута, команд проведения контроля и измерения;
- обеспечить коррекцию параметров навигации, выработанных БИНС, за счет их комплексирования с данными, определенными с помощью угломерной СНА, датчиков скорости (ДСМ и/или ДСД) и информации о текущей высоте местоположения объекта с БВ.
Оснащение спутниковой навигационной аппаратуры (СНА) антенной системой (АС), состоящей из четырех антенных модулей (AM), обеспечивающих возможность выдачи значения углового положения объекта, позволяет:
- определить в автоматическом режиме по радиосигналам космических навигационных систем ГЛОНАСС и/или GPS не только текущие координаты местоположения, но и угловое положение объекта;
- обеспечить использование полученной от СНА навигационной информации как в автономном, так и в комплексированном режиме;
- повысить точность окончательно обработанных параметров.
Включение в АСНТ выносного комплекса СНА, оснащенного переносным накопителем навигационной информации, позволяет:
- проводить относительные определения координат и высот неподвижных наземных точек в режиме постобработки по радиосигналам космических навигационных систем;
- решать прикладные геодезические задачи;
- обеспечить накопление и промежуточное хранение массивов накопленных "сырых" обсервационных данных для передачи этих массивов в бортовую ЭВМ в виде файлов с привязкой ко времени получения первых обсерваций в ходе записи навигационных сессий.
Включение в АСНТ устройства контроля качества (УКК) навигационных полей спутниковых систем и формирования корректирующей информации позволяет:
- вести прием сигналов всех находящихся в зоне видимости навигационных космических аппаратов космических навигационных систем ГЛОНАСС и GPS;
- вести расчет и формирование корректирующей информации для навигационных сигналов;
- выдавать корректирующую информацию в реальном масштабе времени в канал передачи корректирующей информации.
Осуществление связи бортовой ЭВМ по соответствующим каналам обмена и управления с вышеперечисленной аппаратурой и дополнительно - с аппаратурой передачи данных (АПД) позволяет:
- обеспечить прием и обработку информации, поступающей с аппаратных средств, входящих в состав автоматизированной системы навигации и топопривязки: бесплатформенной инерциальной навигационной системы (БИНС), датчика скорости механического (ДСМ), датчика скорости доплеровского (ДСД), барометрического высотомера (БВ), спутниковой навигационной аппаратуры (СНА), аппаратуры передачи данных (АПД), периферийных устройств;
- обеспечить отображение текущей информации и результатов ее обработки;
- обеспечить запись результатов обработки текущей информации, а также вывод на бумажный носитель;
- сформировать на базе бортовой ЭВМ базовую автоматизированную рабочую информационно - аналитическую станцию, работающую в реальном масштабе времени;
- при помощи аппаратуры передачи данных (АПД) обеспечить гарантированное засекречивание, имитозащиту, распределение, передачу и прием данных внешним потребителям.
Оснащение бортовой ЭВМ специальными программными средствами, обеспечивающими работу в следующих основных режимах: навигации, работы с цифровой картой местности (ЦКМ), решения сервисных задач, передачи данных по системе связи и передачи данных (ССПД), контроля технического состояния, позволяет:
- в режиме НАВИГАЦИЯ определить и индицировать плоские прямоугольные координаты (X, Y) в системе П3-95, высоту (Н) в Балтийской системе высот и направление базового объекта (дирекционный угол) на стоянке и в движении, а также углы тангажа и крена, скорость и пройденный путь;
- в режиме РАБОТА С ЦКМ проводить работы с цифровыми картами местности и выполнять задачи по загрузке и просмотру ЦКМ, прокладке маршрута;
- в режиме СЕРВИСНЫЕ ЗАДАЧИ решать задачи по топогеодезическому обеспечению в соответствии со специализированным программным обеспечением;
- в режиме ПЕРЕДАЧА ПО ССПД через АПД обеспечить передачу навигационной и управляющей информации, в том числе по каналам ССПД;
- в режиме СОСТОЯНИЕ обеспечить просмотр информации о текущем техническом состоянии аппаратуры, входящей в состав АСНТ, а также текущих значений входных и выходных данных.
В соответствии с предлагаемым изобретением изготовлен опытный образец, проведены необходимые виды испытаний, на которых подтверждены основные преимущества и отличительные особенности автоматизированной системы навигации и топопривязки.
В качестве основных элементов АСНТ были использованы: датчики - датчик скорости механический (ДСМ), датчик скорости доплеровский (ДСД), барометрический высотомер (БВ), изделие БИНС - ТП, ЭВМ "Багет-РСЗБ", угломерная навигационная аппаратура потребителей космических навигационных систем ГЛОНАСС/GPS с функцией определения дирекционного угла (индекс 14Ц823) "Грот-У" с четырьмя антенными модулями АСНМ-4, войсковой навигационно-геодезический комплекс (индекс 14Ц824) «Грот-ТК», малогабаритная многоканальная абонентская аппаратура Т-236-В, контрольно-корректирующая станция мобильной дифференциальной подсистемы ГЛОНАСС/GPS (индекс 14Ц841).
При этом были получены следующие технические характеристики.
Технические характеристи АСНТ
x
y
Средняя квадратическая погрешность (σ, σ) определения приращений плановых координат - не более 2 м/ мин в автономном режиме работы продолжительностью до 20 мин без использования информации о скорости от внешних источников;
x
y
Средняя квадратическая погрешность (σ, σ) определения приращений плановых координат - не более 0,1% от пройденного пути при безостановочном движении до 2 ч с использованием информации о скорости от внешних источников;
x
y
Средняя квадратическая погрешность (σ, σ) определения приращений плановых координат в режиме с периодическими остановками через 30 мин движения на время до 1-2 мин - не более 5 м с использованием информации о скорости и высоте от внешних источников;
x
y
н
Средняя квадратическая погрешность (σ, σ) определения приращений плановых координат и (σ) определения высоты с непрерывной коррекцией в движении по сигналам навигационной аппаратуры потребителей космической навигационной системы и барометрического высотомера - не более 1-3 м по координатам и 3-5 м по высоте;
Средняя квадратическая погрешность определения дирекционного угла продольной оси базового шасси (контрольного элемента) - не более 2 угл. мин при времени гирокомпасирования не более 5 мин;
Средняя квадратическая погрешность определения углов тангажа и крена в движении в перечисленных выше режимах работы - не более 4 угл. мин;
Средняя квадратическая погрешность определения углов тангажа и крена на стоянке через 1 мин после прекращения движения - не более 0,5 угл. мин;
Время подготовки аппаратуры и оборудования к работе - 20 мин;
Время непрерывной работы - 24 ч;
Потребляемая мощность аппаратуры и оборудования - не более 4 кВт;
-5
+2
Напряжение питания постоянного тока от бортсети - 27  В с коэффициентом пульсации не более 5%.
Технические решения с признаками, отличающими заявляемое решение от прототипа, не известны и явным образом из уровня техники не следуют. Это позволяет считать, что заявляемое решение является новым и обладает изобретательским уровнем.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показана блок-схема автоматизированной системы навигации и топопривязки; на фиг.2 - пример видеоизображения на ВМ бортовой ЭВМ при работе в режиме НАВИГАЦИЯ; на фиг.3 - пример видеоизображения на ВМ бортовой ЭВМ при работе в режиме СЕРВИСНЫЕ ЗАДАЧИ при решении задачи «Прямая угловая засечка».
Автоматизированная система навигации и топопривязки (АСНТ) состоит из аппаратуры счисления координат, в качестве основного элемента которой используется бесплатформенная инерциальная навигационная система 1 (БИНС), оснащенной датчиком скорости механическим 2 (ДСМ), датчиком скорости доплеровским 3 (ДСД) и барометрическим высотомером 4 (БВ), спутниковой навигационной аппаратуры 5 (СНА), бортовой ЭВМ 6, выносного комплекса спутниковой навигационной аппаратуры 7 (ВК СНА), устройства контроля качества 8 (УКК) навигационных полей спутниковых систем и формирования корректирующей информации. Бесплатформенная инерциальная навигационная система 1 (БИНС) оснащена вычислителем навигационных параметров 9 (ВНП), выполненным с возможностью автоматического учета температурных поправок, а в качестве датчиков первичной информации БИНС используются инерциальные датчики: лазерные гироскопы 10 (ЛГ) и кварцевые акселерометры 11 (КА). Спутниковая навигационная аппаратура 5 (СНА), основой которой является приемоиндикатор 12 (ПИ), оснащена антенной системой 13 (АС), состоящей из четырех антенных модулей 14 (AM). Бортовая ЭВМ 6 связана с барометрическим высотомером 4 (БВ), состоящим, в свою очередь, из датчика температуры 16 (ДТ), измерителя цифрового атмосферного давления 17 (ИЦАД) и блока обработки данных 18 (БОД), а через блок согласования 19 (БС) - с датчиком скорости механическим 2 (ДСМ) и датчиком скорости доплеровским 3 (ДСД). Кроме того, она оснащена периферийными устройствами: клавиатурой 20 (К), видеомонитором 21 (ВМ), устройством документирования 22 (УД), манипулятором графической информации 23 (МГИ). Выносной комплекс спутниковой навигационной аппаратуры 7 (ВК СНА), состоящий из носимого приемоиндикатора 24 (НПИ) и антенны геодезической 25 (АГ), оснащен переносным накопителем навигационной информации 26 (ННИ). Бортовая ЭВМ 6 связана по соответствующим каналам обмена и управления, в основном по интерфейсам RS-232, с вышеперечисленной аппаратурой, дополнительно - с аппаратурой передачи данных 27 (АПД).
Автоматизированная система навигации и топопривязки (АСНТ) работает следующим образом. Работа АСНТ построена на обработке входных данных с БИНС 1, ДСМ 2, ДСД 3, БВ 4, СНА 5, ВК СНА 7, УКК 8, АПД 27. Обработка данных осуществляется аппаратно-программными средствами, в которые входят: бортовая ЭВМ 6 с периферийными устройствами К 20, ВМ 21, УД 22, МГИ 23, БС 19. Работа АСНТ возможна в следующих основных режимах:
- НАВИГАЦИЯ;
- РАБОТА С ЦКМ;
- СЕРВИСНЫЕ ЗАДАЧИ;
- ПЕРЕДАЧА ПО ССПД;
- СОСТОЯНИЕ.
Режим НАВИГАЦИЯ
Режим НАВИГАЦИЯ предназначен для определения и индикации плоских прямоугольных координат (X, Y) в системе П3-95, высоты (Н) в Балтийской системе и направления объекта (дирекционного угла) на стоянке и в движении, а также углов тангажа и крена, скорости и пройденного пути.
Входными данными в бортовую ЭВМ 6 для решения навигационных задач являются:
- значение скорости объекта (V) (определяется по сигналам ДСМ 2 и ДСД 3 после обработки в БС 19);
БИНС
БИНС
БИНС
- значения дирекционного угла продольной оси (α), углов крена (β) и тангажа (ψ) объекта, определенных БИНС 1;
СНА
CHA
CHA
CHA
- значения дирекционного угла продольной оси (α), координат (X, Y, H) и времени (t), определенных СНА 5;
- значение высоты (Н), определенное БВ 4.
Бортовая ЭВМ 6 посредством сигналов управления Упр. обеспечивает режимы работы БИНС 1, СНА 5, ДСД 3.
Режим состоит из двух задач: начальные установки и работа.
Задача по определению начальных установок выполняется на неподвижном объекте и предназначена для выбора используемого источника азимута и ввода начальных значений координат.
Для решения навигационных задач используются навигационные данные, определенные с помощью БИНС 1, СНА 5 или БИНС 1 и СНА 5.
Заранее известные или определенные другими средствами начальные координаты вводятся в ручном режиме оператором, обслуживающим систему.
При переходе в рабочий режим выполняется прямая и обратная геодезические задачи. При активации задачи на ВМ 21 выводятся значения текущих данных и местоположение объекта на ЦКМ при наличии загруженных ЦКМ. Объект на ВМ 21 отображен в виде пятиугольника.
При автономной работе БИНС 1 пространственные параметры ориентации и навигации вычисляются в ВНП 9 по первичной информации, поступающей от инерциальных датчиков: ЛГ 10 и КА 11. Первичная информация содержит данные об угловых скоростях вращения и линейных ускорениях по осям трехгранников, образованных первый - тремя ЛГ 10, второй - тремя КА 11, жестко связанными с корпусом изделия. По поступающей в ВНП 9 информации с ЛГ 10 и КА 11 определяются параметры начальной выставки (углы азимута, крена и тангажа) и параметры навигации и угловой ориентации в движении. Вычисленные параметры передаются в бортовую ЭВМ 6. Обмен осуществляется по интерфейсу RS-232. Причем термостатирование ЛГ 10 и КА 11 не проводится, а учет температурных поправок автоматически осуществляется в ВНП 9, что сокращает время готовности БИНС 1 к работе.
В комплексированном режиме работы параметры навигации и угловой ориентации в движении вычисляются в ВНП 9 с учетом данных угломерной СНА 5, оснащенной AM 14, и БВ 4.
Работа БВ основана на относительном методе измерения высоты точек местности, заключающемся в измерении атмосферного давления и температуры воздуха в измеряемой точке и в исходной (начальной) точке и вычислении по результатам измерений разности высот. Измерение атмосферного давления и преобразование измеренного значения в цифровой код происходит в ИЦАД 17. ДТ 16 формирует электрический сигнал, пропорциональный температуре воздуха. БОД 18 производит прием и обработку информации от ИЦАД 17 и ДТ 16, вычисление приращений высоты и обмен с бортовой ЭВМ 6 по интерфейсу RS-232.
Режим РАБОТА С ЦКМ
Режим РАБОТА С ЦКМ предназначен для работы с цифровыми картами местности. В данном режиме возможна загрузка ЦКМ, просмотр ранее загруженных ЦКМ, прокладка маршрута объекта. После загрузки ЦКМ она отображается на ВМ 21.
Задача по прокладке маршрута предназначена для определение местоположения (координат и высоты) объекта по ЦКМ и выбор маршрута движения.
Режим СЕРВИСНЫЕ ЗАДАЧИ
Режим "Сервисные задачи" предназначен для решения задач по топогеодезическому обеспечению в соответствии со специализированным программным обеспечением, позволяющим выполнять расчетные задачи по астрономо-геодезическому обеспечению района работ в соответствии с "Руководством по астрономо-геодезическим работам при топогеодезическом обеспечении войск". При этом выполняются следующие задачи:
- преобразование геодезических координат в прямоугольные;
- преобразование прямоугольных координат в геодезические;
- перевычисление прямоугольных координат в смежную зону;
- вычисление прямоугольных координат: прямая угловая засечка, обратная угловая засечка, линейная засечка, азимутальная засечка, линейно-азимутальная засечка, линейно-угловая засечка;
- вычисление прямоугольных координат методом полигонометрических ходов: полигонометрический ход, система полигонометрических ходов, вычисление высотно-теодолитных ходов;
- вычисление высоты: по сторонам прямых засечек и полигонометрического хода, по сторонам обратных засечек, метод геометрического нивелирования;
- преобразование азимута и дирекционного угла: переход от астрономического азимута к геодезическому и дирекционному углу, переход от дирекционного угла к геодезическому и астрономическому азимутам;
- прямая и обратная геодезические задачи: прямая геодезическая задача, обратная геодезическая задача;
- вычисление недоступного расстояния;
- вычисление астрономического азимута по часовому углу солнца;
- определение высоты геодезических знаков.
Алгоритм выполнения одной из задач приведен на фиг.3.
Режим ПЕРЕДАЧА ПО ССПД
Режим ПЕРЕДАЧА ПО ССПД предназначен для передачи данных по ССПД, в том числе секретной информации по каналу АПД 27.
Режим СОСТОЯНИЕ
Режим СОСТОЯНИЕ предназначен для просмотра информации о текущем состоянии систем и приборов, входящих в состав АСНТ и взаимодействующих с ней, а также текущих значений входных и выходных данных.
ВК СНА 7, состоящий из НПИ 24 и антенны геодезической АГ 25 и оснащенный переносным ННИ 26, позволяет проводить определение координат и высот неподвижных наземных точек в режиме последующей обработки в бортовой ЭВМ 6.
Таким образом, в предлагаемом изобретении решена задача по достижению технического результата, заключающегося в создании автоматизированной системы навигации и топопривязки, обладающей повышенной точностью определения навигационных параметров за счет использования навигационной аппаратуры, в которой осуществляется комплексирование первичной навигационной информации, полученной с датчиков, построенных на различных физических принципах, бортовой ЭВМ, обеспечивающей автоматизацию принятия решений с возможностью исключения "человеческого фактора", автоматическую прокладка маршрута по заданным точкам с учетом рельефа местности, погодных условий, времени года и суток с отображением маршрута движения.