Устройство комплексирования навигационной информации спутниковых навигационных систем (варианты)

Полезная модель относится к устройствам комплексирования навигационной информации спутниковых навигационных систем движущегося объекта. Предлагаемые алгоритмы комплексирования позволяют повысить частоту обновления навигационной информации и точность определения местоположения (координат) движущегося объекта.
В настоящее время из уровня техники известно, что одним из эффективных способов повышения точности, надежности и помехозащищенности измерений навигационных параметров на борту движущегося объекта является комплексирование навигационных средств, использующих различных физические принципы действия. Например, алгоритмы комплексирования различных бортовых навигационных средств могут основываться на методах комплексной обработки навигационной информации с использованием фильтрации Калмана и синтеза алгоритмов фильтра Калмана для различных измерителей (заявка RU 2015151479 G01C 21/02, G01C 23/00 опуб. 25.04.2017). При этом для эффективной работы комплексной системы навигации необходимо, чтобы измерители, входящие в состав комплекса, имели различные спектральные характеристики ошибок.
Известен способ комплексирования инерциальных навигационных систем (ИНС) с датчиком базовой скорости (ДБС), который может быть использован для выставки, калибровки дрейфов, демпфирования вертикали и коррекции собственных погрешностей ИНС на подвижном объекте в процессе инерциального счисления координат местоположения объекта, а также при создании комбинированных навигационных систем на базе платформенных или бесплатформенных ИНС (заявка RU 93045749 G01C 23/00 опуб. 20.10.1996). Способ комплексирования датчиков навигационных систем (заявка RU 95121118 G01C 21/00 опуб. 10.12.1997), в котором получают навигационную информацию от двух датчиков, построенных на основе различных физических принципов, формируют разностный сигнал погрешностей из выходных сигналов этих датчиков, оценивают погрешность одного из них, принятого за основной, вычитают полученную оценку погрешности этого датчика из выходного сигнала последнего.
Существуют патенты RU 2570358 G01C 23/00, опуб. 10.12.2015; RU 2277696 С2, опуб. 10.06.2006; RU 2334199 С1, опуб. 20.09.2008; RU 2536365 С1, опуб. 20.12.2014; RU 105755 U1, опуб. 20.06.2011. В качестве технического результата при комплексировании в данных описаниях рассматривается повышение надежности функционирования навигационных систем, и результат достигается за счет избыточности количества бортовых измерителей.
В заявке RU 2003107775 G01C 22/00, Е01В 35 опуб. 10.09.2004 описан способ коррекции показаний датчика пройденной дистанции (одометра), заключающийся в том, что на основе цифровой фильтрации производят интегрирование (комплексирование) изменений географических координат и скорости объекта, полученных при обработке информации, поступающей из канала спутниковой навигационной системы и каналов системы навигации и ориентации и одометра. Далее получают уточненные оценки погрешности одометра, по которым корректируют номинальное значение его шага, и при этом в зависимости от режима движения объекта меняют передаточную функцию цифрового фильтра.
Комплексирование навигационных средств в бортовую интегрированную систему информационной поддержки экипажа воздушного судна производится также с целью расширения функциональных возможностей пилотажных комплексов, создания когнитивного формата представления полетной информации, визуализации пилотажных и навигационных параметров полета, параметров силовых установок и систем судна, а также создание системы визуализации параметров подстилающей поверхности и окружающей среды закабинного пространства (заявка RU 2013126754 В64С 15/00 опуб. 20.12.2014; RU 2015154368 G01C 23/00 опуб. 23.03.2017; RU 2241239 С2, 27.11.2004. US 6252545 В1, опуб. 26.06.2001; WO 2005081011 А2, опуб. 01.09.2005. Dharma Р. Agrawal. GPS: Location-Tracking Technology. COMPUTER, Communications, 04.2002.).
Однако, предлагаемые технические решения требуют дополнительного оборудования или дополнительных навигационных измерений, или опорных точек с заранее известными геодезическими координатами и наличием канала связи между движущимся объектом и опорным пунктом, или полностью известных и с заданной точностью прогнозируемых траекторий движения объекта.
В качестве прототипа предлагаемого устройства комплектования показаний навигационных систем подвижного объекта предлагается использовать способ определения местоположения подвижного объекта при навигационных измерениях, описанный в патенте RU 252916 G01S 19/45 опуб. 27.09.2014. Технический результат состоит в повышении точности определения местоположения движущихся объектов в пространстве при навигационных измерениях на основе использования его динамических характеристик. Для этого на основе динамических свойств объекта прогнозируется область пространства возможного местоположения объекта в момент последующих навигационных измерений. Скорректированным местоположением объекта в пространстве при последующих навигационных измерениях считается пересечение областей пространства последующих навигационных измерений с прогнозируемыми областями.
В бюллетене ФИПС №27 от 27.09.2014 описан алгоритм реализации данного способа. Способ определения местоположения объекта в пространстве, уточняя навигационные данные за счет наложения ограничений, связанных с динамическими свойствами движущегося объекта можно назвать методом динамической рекуррентной коррекции (ДРК).
Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение и предлагаемое устройство заключается в повышении эффективности способа динамической рекуррентной коррекции при определении местоположения движущихся объектов за счет увеличения частоты обновления навигационной информации, повышения точности навигационных измерений и вероятности получения выигрыша в определении местоположения подвижного объекта.
x
y
z
Пусть x;y;z истинные координаты центра масс движущегося объекта в некоторой базовой системе координат XYZ, а  результаты навигационного измерения его местоположения в какой-то момент t Погрешность каждого измерения не зависит от местоположения объекта в пространстве, либо такой зависимостью в рамках нескольких последовательных измерений координат можно пренебречь и полагать, что h;h;h=const при нескольких последовательных навигационных измерениях.
Пусть по данным результатов навигационных измерений в момент времени t задана область пространства Λ. Ее можно представить в дискретном виде как
x
y
z
x
y
z
1
n
1
n
1
n
пр
где m=0…M=2h/Δx; n=0…N=2h/Δy; k=0…K=2h/Δz m; n; k - целые числа (индексы разбиения по координатам). Значения h;h;h - максимальная погрешность измерения координат движущегося тела с вероятностью не менее p(0,95), т.е.  с вероятностью p(0,95); Δx;Δy;Δz интервалы разбиения (можно трактовать как интервалы разбиения для обеспечения необходимой точности дискретизации пространства). Рассмотрим последовательные навигационные измерения в моменты времени t-t определяющие области пространства Λ-Λ местоположения объекта в моменты времени  - данные навигационных измерений в моменты времени t-t. Для прогнозирования области каждого последующего навигационного измерения Λ выбираются параметры ограничения местоположения объекта из-за его динамических свойств, в качестве которых могут выступать: - максимальная скорость и ускорение (в зависимости от задач могут быть вертикальная и горизонтальная, курсовая и снижения, прочие линейные и угловые скорости и ускорения); - максимальное изменение угла азимута (или рыскания); угла места (или крена) или прочие параметры.
кор оконч
В результате применения алгоритма динамической рекуррентной коррекции, описанного в патенте RU 252916 G01S 19/45 опуб. 27.09.2014 определяется скорректированная область пространства после третьего последовательного навигационного измерения Λ с вероятностью не менее p=0,95.
i-1
i
i+1
ni
j-1
j
j+1
nj
i-1
j-1
i
j
i+1
j+1
Рассмотрим навигационные данные двух спутниковых навигационных систем СНС1 и СНС2 (например, GPS и ГЛОНАСС). Временной синхронизации и статистической зависимости погрешности навигационных измерений от данных предыдущих измерений между данными системами нет. Пусть значения  - объем пространства возможного местоположения движущегося объекта с вероятностью не менее р=0,95 по результатам последовательных навигационных измерений СНС1 в моменты времени t; t, t; … t. Значения  - объем пространства возможного местоположения движущегося объекта с вероятностью не менее р=0,95 по результатам последовательных навигационных измерений СНС2 в моменты времени t; t, t; … t. Пусть данные от СНС чередуются(временной синхронизации между СНС1 и СНС2 нет, а частота обновления навигационной информации примерна одинакова) t<t<t<t<t<t … и т.д.
Предлагается следующая последовательность обработки показаний двух навигационных систем СНС1 и СНС2 в устройстве комплексирования.
Шаг 1. Применяется алгоритм динамической рекуррентной коррекции последовательно во времени к поступающим данным от разных СНС.  При этом в расчетах для каждой СНС используются свои значения погрешностей измерений.
Шаг 2. Часть 1. Сначала применяется алгоритм динамической рекуррентной коррекции к данным от каждой из СНС (к каждому из каналов комплексирования).
Шаг 2. Часть 2. Применяется алгоритм динамической рекуррентной коррекции последовательно во времени к получаемым скорректированным по ДРК навигационным данным каждого канала (каждой СНС).
Шаг 3. (комбинированный). Применяется алгоритм динамической рекуррентной коррекции последовательно во времени к получаемым скорректированным по ДРК навигационным данным по первому и второму шагам обработки навигационной информации.
Предлагаемые пункты 1 и 2 последовательности обработки информации могут выступать и как самостоятельные варианты обработки информации в устройстве комплексирования спутниковых навигационных систем.
С учетом временных соотношений поступления навигационной информации между СН1 и СН2, а также с учетом того обстоятельства, что при применении ДРК «последовательно» (шаг 1) и «параллельно» (шаг 2), пространство положения объекта будет находиться как пересечение пространств возможного местоположения объекта от разных СНС, то при
использовании устройства комплексирования увеличивается частота обновления навигационной информации, повышается точность определения местоположения подвижного объекта и вероятность получения выигрыша в определении его местоположения.
Структурная схема возможного устройства комплексирования, приведена на Фиг. 1. Устройство состоит из: вычислительного устройства (блок 1), реализующего алгоритмы динамической рекуррентной коррекции и последовательность обработки навигационной информации при комплексировании СН1 и СН2 с использованием ДРК; устройства синхронизации (блок 2), которое синхронизирует поступление информации в вычислительное устройство и формирует информацию о временных промежутках поступления данных; оперативного запоминающего устройства (ОЗУ, блок 3) для хранения данных предыдущих измерений; постоянного перепрограммируемого запоминающего устройства (ППЗУ, блок 4) для хранения программ обработки данных.
На устройство поступают данные от двух спутниковых навигационных систем СНС1 и СНС2 (входы А и В) и данные от двух спутниковых навигационных систем СНС1/ДРК и СНС2/ДРК уже обработанные по алгоритму ДРК. Выход Е с устройства - скорректированные данные о местоположении объекта.
Возможно создание устройств комплексирования на основе динамической рекуррентной коррекции с использованием не только СНС, но и другого оборудования систем позиционирования подвижного объекта (показания специализированных гироскопов, измерителей магнитного поля земли, использование опорных точек с заранее известными геодезическими координатами, известных и с заданной точностью прогнозируемых траекторий движения объекта и т.д.). Кроме того, возможно комплексирование не только двух, но и нескольких систем в различных сочетаниях.