ИНТЕГРИРОВАННАЯ ИНЕРЦИАЛЬНО-СПУТНИКОВАЯ СИСТЕМА ОРИЕНТАЦИИ И НАВИГАЦИИ
INTEGRATED INERTIAL SATELLITE SYSTEM FOR ORIENTATION AND NAVIGATION

Изобретение относится к области навигационного приборостроения подвижных объектов различного назначения.
Одной из проблем на пути создания малогабаритной интегрированной системы ориентации и навигации (ИСОН) для морских и авиационных объектов на базе бескарданного инерциального измерительного модуля (БИИМ), содержащего измерительный блок (ИБ) низкого уровня точности (например, на микромеханических гироскопах - ММГ, нестабильность дрейфов которых составляет 30…300 град/ч), и приемной аппаратуры (ПА) спутниковых навигационных систем (СНС) является проблема обеспечения требований по точности выработки курса. Так, для обеспечения навигационной безопасности плавания морских судов требования по курсу составляют: ±0.75° secφ - установившаяся погрешность для неподвижного основания и ±(2…3)° - при маневрировании в широтах φ<60° (согласно резолюции ИМО А.424(XI) от 15.11.79 г. и А.821 (ХIХ) от 23.11.1995 г. для гирокомпасов).
Проблему обеспечения требований по курсу в ИСОН с БИИМ низкого уровня точности в последнее время пытаются решить, в частности, за счет создания для подвижных объектов ПА СНС с фазовыми измерениями и разнесенными антеннами.
Способы определения параметров ориентации объекта, основанные на использовании в ПА СНС фазовых измерений с разнесенных на объекте антенн, приведены в описании патентов RU 98118543 A от 20.08.2000; RU 2215299 C2 от 27.10.2003; RU 2276384 C2 от 20.10.2005.
Известна интегрированная система Seapath 200 норвежской фирмы Seatex AS для морских судов, которая использует мультиантенную ПА СНС с фазовыми измерениями на несущей частоте.
Из отечественных разработок следует выделить аналогичную мультиантенную ПА СНС МРК-11, использующую фазовые измерения (разработка Красноярского государственного технического университета и НИИ радиотехники).
В известных схемах построения ИСОН, например, описанных в работах:
- Product Manuals - Seapath 200. Precise Heading, Attitude and Position. Seatex AS, Trondheim, Norway, 1998-05-04;
- Интегрированная инерциально-спутниковая система ориентации и навигации с разнесенными антеннами. Сб. Интегрированные инерциально-спутниковые системы навигации, изд-во ЦНИИ «Электроприбор», СПб., 2001, с.222-229;
- Интегрированная система спутниковой и инерциальной навигации: экспериментальные результаты и применение к управлению мобильными роботами // Гироскопия и навигация. - 2007. - №1 (56), с.16-28;
используется мультиантенная ПА СНС с фазовыми измерениями, обеспечивающая с определенной дискретностью автономную выработку параметров ориентации объекта. Эта задача, как известно, требует решения проблемы неоднозначности фазовых измерений.
i
Известны различные способы решения данной проблемы (Степанов О.А., Кошаев Д.А. Исследование методов решения задачи ориентации с использованием спутниковых систем // Гироскопия и навигация. - 1999. - №2 (25). - С.30-55). Все они требуют одновременного наблюдения и обработки фазовых измерений от группировки навигационных спутников (HC), достаточно сложного программного обеспечения и существенной задержки времени.
Совместная обработка данных БИИМ и ПА СНС в рассматриваемых схемах ИСОН производится на уровне параметров ориентации.
Перечень фигур и чертежей
На фигуре 1 приведена блок-схема ИСОН, принимаемая в качестве прототипа (описана в работе Интегрированная система спутниковой и инерциальной навигации: экспериментальные результаты и применение к управлению мобильными роботами // Гироскопия и навигация. - 2007. -№1 (56), с.16-28).
На фигуре 2 изображена структурная схема предлагаемой ИСОН.
Фигура 3 иллюстрирует интерферометрический принцип формирования фазовых измерений в ПА СНС.
Фигуры 4а-4в иллюстрируют результаты объектовых испытаний экспериментального образца ИСОН, включающей ИБ на ММГ и микромеханических акселерометрах (ММА) - разработки ЦНИИ «Электроприбор», два приемника GPS, разнесенные на базе 2.5 м в продольной плоскости объекта - разработки ОАО «РИРВ».
На фигуре 1 приняты следующие обозначения:
JNSGyro-4 - ПА СНС, содержащая четыре приемника ГЛОНАСС / GPS с разнесенными на соответствующих базах антеннами, на выход которой поступают с частотой 10-20 Гц значения:
GNSS
- кватерниона поворота объекта относительно сопровождающего горизонтного трехгранника (g);
GNSS
- вектора линейной скорости (u)
GNSS
- вектора позиции (координат места) в системе WGS - 84 (y);
IMU
IMU
a
IMU - измерительный блок (ИБ) БИИМ, включающий три микромеханических гироскопа и три акселерометра с обеспечивающей электроникой, на выход которого с частотой 100-200 Гц поступают значения вектора угловой скорости (ω) и вектора кажущегося ускорения ();
блок экстраполяции кватернионов и позиции (дополнительный вычислитель БИИМ) - обеспечивает малую задержку относительно меток времени ПА СНС и высокую частоту выдачи в значениях результирующих кватерниона ориентации (q) и координат места (вектора у);
1
фильтр кватернионов - содержит блок вычисления параметров ориентации объекта - БВПО и блок комплексной обработки информации - БКОИ;
фильтр позиции - содержит блок вычисления навигационных параметров объекта
2
- БВНП и блок комплексной обработки информации - БКОИ.
На фигуре 2 приняты следующие обозначения:
1 - миниатюрная ПА СНС, содержащая два (или более) спутниковых приемника и две (или более) антенны, разнесенные на соответствующих базах;
2 - бескарданный инерциальный измерительный модуль (БИИМ);
3 - измерительный блок (ИБ) с гироскопами, акселерометрами и обеспечивающей электроникой;
4 - вычислитель БИИМ;
5 - блок вычисления параметров ориентации объекта (БВПО);
6 - блок вычисления навигационных параметров объекта (БВНП);
7 - блок комплексной обработки информации (БКОИ);
8 - дополнительно введенный блок формирования и разрешения неоднозначности разностных фазовых измерений (БФиРНРФИ).
На фигуре 3 приняты следующие обозначения:
j
A - j-я антенна ПА СНС;
on
A- опорная антенна ПА СНС;
0
0
0
xyz - связанная с объектом система координат;
0
0
0
- трехмерный вектор, характеризующий отстояние в системе координат xyz
j
on
j - й антенны A относительно опорной A;
i
- направление орта на навигационный спутник (HC) в точке приема;
ji
i
β - угол между базой и направлением на HC.
На фигурах 4а-4в приняты следующие обозначения:
Δθ, ΔΨ - погрешности ориентации по углам качки (угл. мин);
ΔК - погрешность ориентации по курсу (угл. мин).
Совместная обработка данных БИИМ и ПА СНС позволяет получить более гладкие и надежные координаты места (позицию объекта) и параметры ориентации, чем каждый из двух источников в отдельности.
В вычислителе БИИМ осуществляются решение задачи ориентации и навигации объекта и с использованием алгоритмов фильтра Калмана - коррекция погрешностей БИИМ.
i
К недостаткам данной схемы построения ИСОН следует отнести необходимость одновременного и непрерывного наблюдения на некотором интервале времени группировки HC с целью разрешения проблемы неоднозначности фазовых измерений. Невыполнение данного требования приводит к сбоям в выходных данных ПА СНС. Кроме того, наличие у ПА СНС с фазовыми измерениями влияния геометрического фактора и погрешностей, вызванных многолучевостью принимаемых сигналов, приводит как к неадекватному описанию модели погрешностей ПА СНС в решении задачи ориентации, так и к сбоям выходных данных ПА СНС при маневрировании объекта. Это приводит к дополнительным погрешностям в решении задачи ориентации в рамках ИСОН.
Целью изобретения является повышение точности и помехоустойчивости ИСОН, содержащей БИИМ с ИБ на «грубых» гироскопах типа ММГ и акселерометрах, а также миниатюрную ПА СНС с фазовыми измерениями и разнесенными антеннами, в выработке параметров ориентации объекта.
Поставленная цель в решении данной проблемы достигается тем, что:
i
- формирование разностных (между БИИМ и ПА СНС) измерений осуществляется на уровне первичных параметров (расчетных и измеренных значений вторых разностей фаз сигналов на несущей частоте, принимаемых в точках размещения на объекте приемных антенн СНС), а их обработка производится индивидуально для каждой пары из наблюдаемых HC;
i
- исключение неоднозначности фазовых измерений ПА СНС для каждой пары из наблюдаемых HC осуществляется с опорой на данные БИИМ;
- размещение ИБ БИИМ и опорной антенны ПА СНС производится на максимально возможном отстоянии от центра масс объекта (их размещение целесообразно производить в одной точке объекта).
Реализация данных условий и представляет собой основное отличие предлагаемого устройства от прототипа, что требует внесения дополнительного блока в вычислитель БИИМ и изменения связей между БИИМ и ПА СНС.
Алгоритмическое обеспечение блоков 5 (БВПО) и 6 (БВНП) (фиг.2) аналогично алгоритмам работы соответствующих блоков прототипа (фиг.1).
Отличие блока 7 (БКОИ) от аналогичных блоков прототипа заключается прежде всего в различии измерений, поступающих на вход блока.
Алгоритмическое обеспечение БКОИ представляет собой реализацию широко используемых алгоритмов фильтра Калмана, аналогичных используемых в прототипе.
В качестве входных данных блока БКОИ для решения задачи калмановской фильтрации используются следующие измерения:
i
- разность расчетных и измеренных ПА СНС значений первичных навигационных параметров (псевдодальностей и радиальных скоростей для каждого из наблюдаемых HC);
- разность расчетных и измеренных ПА СНС значений вторых разностей фазовых измерений.
Выходными данными блока БКОИ являются:
- оценки погрешностей угла курса и углов качек объекта;
- оценки погрешностей координат места и составляющих линейной скорости движения объекта;
- оценки дрейфов гироскопов;
- оценки остаточных неоднозначностей фазовых измерений.
GNSS
Отличием от прототипа является то, что в блок БКОИ от ПА СНС поступают не значения параметров ориентации (кватернион g), a первичные разности фазовых измерений, из которых предварительно в блоке 8 (БФиРНРФИ) исключены неоднозначности фазовых измерений с точностью до одной длины волны. Кроме того, в блоке БКОИ вырабатываются оценки остаточных неоднозначностей фазовых измерений.
i
i
Отличие от прототипа заключается также в том, что дополнительно в состав блока 4 (вычислитель БИИМ) введен блок 8 (БФиРНРФИ), обеспечивающий индивидуально для каждой пары из наблюдаемых НС формирование и сравнение расчетных (по данным БИИМ о координатах места и параметрах ориентации точки размещения на объекте опорной антенны и данным ПА СНС о координатах HC) и измеренных значений (по данным ПА СНС) вторых разностей фазовых измерений. При этом в блоке 8 (БФиРНРФИ) по оценкам, поступающим из блока 7 (БКОИ), также осуществляется коррекция неоднозначности измеренных значений вторых разностей фазовых измерений.
Введены связи блока 8 (БФиРНРФИ) с блоком 1 (ПА СНС) и блоками 5 (БВПО), 6 (БВНП) и 7 (БКОИ), обеспечивающие его функционирование.
Отличительным является также то, что размещение ИБ БИИМ и опорной антенны ПА СНС производится на максимально возможном отстоянии от центра масс (ц.м.) объекта (их размещение целесообразно производить в одной точке объекта), что в условиях качки и рыскания объекта приводит к повышению точности выработки параметров ориентации объекта.
Существо предлагаемого решения сводится к следующему.
i
Интерферометрический принцип формирования фазовых измерений в ПА СНС (фиг.3) предполагает, что сигналы от одного HC в виде плоской волны поступают на две антенны. Обоснованность предположения о плоском характере волны объясняется значительной удаленностью источника сигнала по сравнению с расстоянием между антеннами (длиной базы - ).
i
on
Очевидно, что в единицах дальности полная разность фаз сигналов, принимаемых ПА СНС в точках размещения антенн A, A (фиг.3), определяется как
ji
ji
i
i
i
где ∇r - разность дальностей ρ до HC на базе , λ - длина волны излучаемого HC сигнала.
i
В общем случае с учетом того факта, что длина базы между антеннами превышает половину длины волны, измерения первой разности фаз от HC для j баз (что представляет собой измеренное значение направляющего косинуса орта  относительно базы ) можно представить в виде
i
i
ji
где  - погрешность измерения разности псевдодальностей, обусловленная в основном различной нестабильностью опорных генераторов двух приемников СНС, размещенных в точках приема; λ - длина волны сигнала, излучаемого i-м HC, η - целое число длин волн - неоднозначность в фазовых измерениях;  - флуктуационная (шумовая) составляющая измерений.
Соответственно для вторых разностей измеренных значений фазовых измерений (их формирование производится в блоке 1 (ПА СНС) - фиг.2) получим
i
где  - измеренное значение направляющего косинуса орта  относительно базы  для HC.
i
on
Формирование вторых разностей фазовых измерений необходимо для исключения влияния расхождения шкал времени опорных генераторов приемников СНС в точках размещения антенн A, A, т.е. для исключения погрешности  из измерений.
Формирование вторых разностей расчетных значений фазовых измерений производится в блоке 8 ((БФиРНРФИ) - фиг.2).
Входными данными блока БФиРНРФИ являются:
- измеренные значения вторых разностей фаз сигналов навигационных спутников от ПА СНС;
- значения координат навигационных спутников от ПА СНС;
- значения координат места и составляющих линейной скорости движения объекта от блока БВНП (БИИМ);
- значения угла курса и углов качки объекта от блока БВПО (БИИМ);
- оценки остаточных неоднозначностей фазовых измерений от блока БКОИ.
Выходными данными блока БФиРНРФИ являются:
- разности расчетных и измеренных значений вторых разностей фаз сигналов навигационных спутников.
0,h_pr
on
i
Располагая данными о декартовых координатах , параметрах ориентации (матрице ориентации С(K,Ψ,θ)), точке размещения на объекте опорной A антенны (от БИИМ) и известными эфемеридами  HC(от ПА СНС) в гринвичской системе координат, можно рассчитать направляющие косинусы орта  соответственно в гринвичской, географической и связанной с объектом системах координат
e,h_pr
(где C(λ, φ) - матрица перехода от гринвичских к географическим осям) и сформировать расчетное значение направляющего косинуса орта  относительно базы  (их формирование производится в блоке 8 (БФиРНРФИ) - фиг.2)
Значения  направляющих косинусов вектора  в связанных с объектом осях будут равны
Aj
Aj
Aj
j
on
T
где [x, y, z],  - декартовые координаты точки расположения антенн A, A относительно центра масс объекта в связанных осях.
Соответственно для вторых разностей расчетных значений фазовых измерений (их формирование производится в блоке 8 (БФиРНРФИ) - фиг.2) получим
Сравнивая расчетные и измеренные значения вторых разностей фазовых измерений, формируются искомые разностные измерения (их формирование также производится в блоке 8 (БФиРНРФИ) - фиг.2)
0,h_pr
которые содержат с соответствующими весами в основном погрешности решения БИИМ задачи ориентации объекта (погрешности ΔC - матрицы ориентации, однозначно связанные с погрешностями аналитического построения географического сопровождающего трехгранника: α, β, γ; где α - погрешность по курсу, β, γ - погрешности построения вертикали места), погрешности ,  ориентации базы  относительно связанных с объектом осей, неоднозначности вторых разностей фазовых измерений  и шумы измерений.
i
Полагая погрешности БИИМ по навигационным параметрам и параметрам ориентации объекта в пределах малости (например, по курсу - порядка 5°, по углам качки - 3°), допустима линеаризация измерений (10). При этом вклад погрешностей БИИМ в измерения (10) не превышает при длине базы 1…2 м половины длины волны излучаемого HC сигнала.
i
i+1
i
i+1
i+1
i
i
Предварительная обработка разностных измерений (10) производится в блоке 8 (БФиРНРФИ) (фиг.2) и заключается в исключении исходной неоднозначности фазовых измерений. Т.к. априори известно, что полезная информация вместе с шумами составляет менее одной длины волны излучаемого HC сигнала в значениях приведенного измерения , то исключая целое число (η-η) из значения  и оставляя его дробную часть , тем самым исключается из восстановленных измерений  (с учетом сохранения знака ) неоднозначность фазовых измерений до уровня , где δλ=λ-λ - различие в длине волны излучаемых HC сигналов. Остаточная погрешность фазовых измерений в пределах одной длины волны, включающая и «скачкообразную» погрешность от многолучевости принимаемого сигнала, включается в число оцениваемых параметров.
Измерения  вместе с известными (Анучин О.Н., Емельянцев Г.И. (под общей ред. акад. РАН В.Г.Пешехонова). Интегрированные системы ориентации и навигации для морских подвижных объектов. - СПб., 2003. С.389) разностными измерениями по навигационным параметрам с выхода блока 8 (БФиРНРФИ) поступают на вход блока 7 (БКОИ) для последующей обработки с использованием алгоритмов фильтра Калмана.
Оценки, выработанные в блоке 7 (БКОИ), поступают в обратную связь для коррекции погрешностей БИИМ в выработке параметров ориентации и компенсации погрешностей гироскопов (поступают на один из входов блока 5 (БВПО)), коррекции погрешностей БИИМ в выработке навигационных параметров и погрешностей акселерометров (поступают на один из входов блока 6 (БВНП)), а также коррекции измерений  в части их остаточной неоднозначности и погрешностей ориентации базы  относительно связанных с объектом осей (поступают на один из входов блока 8 (БФиРНРФИ)).
Анализ точности предлагаемого решения
Формирование измерений
При разнесении двух антенн ПА СНС в осях объекта номинальные  и приборные значения направляющих косинусов вектора  в связанных с объектом осях будут равны
где , (j=x, y, z) - погрешности орта . При этом значения ,  уточнялись по результатам обработки измерений (10), а составляющая  определялась из условия нормирования орта , т.е. .
В этом случае линеаризованные разностные измерения (10) могут быть представлены в следующем виде
где
1j,
B(j=1, 2, 3) - элементы вектора-строки (;
ij
i+1
j
ij
(i+1)j
i
S, S(), (j=E, N, H) и S, s, (j=x, y, z) - элементы ортов  (направляющие косинусы орта HCотносительно соответственно географических осей и осей объекта), формируемые согласно соотношениям (4), (5), (6);
i+1
i
- остаточные погрешности вторых разностей фазовых измерений для пары спутников HC и HC, включающие и «скачкообразную» погрешность от многолучевости принимаемых сигналов;
zi
i
v - шумы измерений, включающие шумы ПА СНС и составляющие, обусловленные погрешностями знания координат места объекта и эфемеридной информации HC.
Расчетная модель погрешностей
При формировании расчетной модели погрешностей ИСОН использовались следующие аппроксимации:
gi
- смещения нулей гироскопов  (i=xb, yb, zb) и акселерометров  изменения систематических составляющих погрешностей масштабных коэффициентов ММГ ΔM от запуска к запуску и их изменчивость в пуске - были аппроксимированы (из-за отсутствия достоверных данных об их спектральном составе) соответствующими винеровскими процессами;
i
- погрешности δD, δ ПА СНС (смещения соответственно шкалы времени в единицах дальности и частоты опорного генератора в единицах радиальной скорости для опорной антенны в ПА СНС относительно данных HC) были представлены расчетной моделью  где коэффициент k2, характеризующий дрейф частоты опорного генератора, был аппроксимирован соответствующим винеровским процессом;
- погрешности  (j=x, z) были аппроксимированы также соответствующими винеровскими процессами;
zi
- шумы измерений v аппроксимированы дискретными белыми шумами с известными дисперсиями на частоте формирования измерений.
В этом случае расчетная модель погрешностей ИСОН будет иметь вид
где
- вектор состояния системы,
E
N
H
где α, β, γ - погрешности в решении задачи ориентации; ΔV, ΔV, ΔV - погрешности в выработке составляющих вектора относительной линейной скорости объекта в проекциях на географические оси; Δφ, Δλ, Δh - погрешности выработки географических координат места (по широте, долготе и высоте);
k+1/k
z
Ф - переходная на шаге T формирования измерений матрица состояния системы;
k+1
k+1
k
k
·
Г≅Ф dT - матрица, определяющая влияние вектора входных шумов w с ковариациями Q;
k+1
i
H - матрица измерений, соответствующая уравнению (12) для вторых разностей фазовых измерений для трех пар HC и известным (Анучин О.Н., Емельянцев Г.И. (под общей ред. акад. РАН В.Г.Пешехонова). Интегрированные системы ориентации и навигации для морских подвижных объектов. - СПб., 2003. - С.389) разностным скоростным и позиционным измерениям, сформированным по данным БИИМ и ПА СНС;
k+1
v - шумы измерений.
Результаты объектовых испытаний
i
Испытания экспериментального образца ИСОН (включающей ИБ на ММГ и ММА - разработки ЦНИИ «Электроприбор», два приемника GPS, разнесенные на базе 2.5 м в продольной плоскости объекта - разработки ОАО «РИРВ») производились на автомобиле при его движении в городских условиях. При этом на маршруте движения имели место в ПА СНС частые срывы слежения за HC и «сбои» в первичных измерениях, обусловленные маневрированием автомобиля и затенением приемных антенн, а также «скачки» в пределах длины волны, обусловленные многолучевостью принимаемых сигналов. Математическое обеспечение ИСОН включало задачу фильтрации по совместной обработке с использованием алгоритмов обобщенного фильтра Калмана данных БИИМ и ПА СНС, содержащую:
i
- формирование разностных измерений на уровне расчетных и измеренных значений вторых разностей фазовых измерений для каждой пары HC и их линеаризацию относительно текущих расчетных значений;
- вычисление оценок погрешностей БИИМ в выработке параметров ориентации объекта и их коррекцию в обратной связи на каждом шаге решения задачи фильтрации;
- алгоритмы контроля погрешностей ИСОН в выработке кинематических параметров движения объекта, включающие запись их текущих значений в file.mat и построение графиков погрешностей.
Исходные данные:
- запись массива данных ИБ (текущих значений сигналов ММГ и ММА) БИИМ производилась на частоте 100 Гц;
i
i
- формирование откорректированных значений (с учетом поправок на тропосферную и ионосферную задержки, с учетом сдвига шкал времени HC и ПА СНС) дальностей и приращений дальностей на шаге измерений, а также эфемеридной информации для каждого из 6-ти наблюдаемых HCосуществлялось на частоте 1 Гц с привязкой всех данных к синхроимпульсу от ПА СНС;
(i+1)-i
- при «скачках» в разностных фазовых измерениях для пары спутников на величину более 0.1 длины волны производился частичный перезапуск фильтра Калмана по погрешности ΔСf, соответствующей данному измерению;
- в качестве эталонных данных о курсе объекта использовались значения курса от аппаратуры МРК-11 (разработка Красноярского государственного технического университета и НИИ радиотехники) и значения путевого угла от ПА СНС.
На фиг.4а представлены результаты обработки данных, собранных в ходе проведения испытаний при отсутствии курсовых и фазовых измерений. При этом в качестве эталона сравнения использовались данные о курсе K_gps от МРК-11.
На фиг.4б представлены результаты обработки данных, собранных в ходе проведения испытаний с использованием фазовых измерений. При этом в качестве эталона сравнения использовались данные о курсе K_gps от МРК-11.
На фиг.4в представлены результаты обработки данных, собранных в ходе проведения испытаний с использованием фазовых измерений. При этом в качестве эталона сравнения использовались данные о путевом угле (PU_gps) от ПА СНС.
Из сравнения рисунков фиг.4а и 4б видно, что «выбросы» - это от эталона (МРК-11).
Результаты решения задачи ориентации объекта в предлагаемой схеме построения ИСОН, приведенные на рисунках фиг.4а-4в, подтверждают эффективность данного решения. При этом предлагаемое решение допускает перерывы в поступлении данных от ПА СНС и позволяет эффективно обеспечивать отбраковку недостоверных измерений.