СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАЗЕМНОГО ПОЛОЖЕНИЯ ДВИЖУЩЕГОСЯ ОБЪЕКТА, В ЧАСТНОСТИ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА В АЭРОПОРТУ
METHOD AND DEVICE FOR DETECTION OF GROUND LOCATION OF MOVING OBJECT, IN PARTICULAR AIRCRAFT IN AIRPLANE

Настоящее изобретение относится к способу и устройству для определения наземного положения летательного аппарата, в частности летательного аппарата в аэропорту.
В рамках навигационной функции аэропорта (которая дает возможность отображать на экране приборной доски пилота летательного аппарата карту аэропорта, на которой отмечено текущее положение летательного аппарата) необходимо определять точное положение летательного аппарата, когда он находится на земле. Точность и скорость обновления такого положения являются параметрами, которые имеют решающее значение для обеспечения достоверности отображаемой информации относительно внешних маркеров, видимых пилотом летательного аппарата. Возможность иметь такое положение вместе с соответствующей характеристикой должно быть гарантировано для всех наземных поверхностей аэропорта, способных принимать летательный аппарат, оборудованный таким устройством, предполагая, таким образом, что положение определяется не только с использованием оборудования, доступного на земле, для улучшения вычислений и, учитывая, что такое оборудование не предусмотрено во всех аэропортах.
Для определения положения летательного аппарата обычно используют приемное устройство, которое связано со спутниковой системой позиционирования, в частности системой типа GPS («Глобальная система позиционирования»), например, Navstar, Galileo, GNSS, GLONAS. Такое приемное устройство обычно содержит приемную антенну, которая устанавливается сверху летательного аппарата, а также приемное устройство, которое связано с этой антенной и которое выдает позиционные данные летательного аппарата на основе сигналов, определяемых данной антенной. Однако такое устройство определения положения предоставляет позиционные данные, то есть информацию о положении летательного аппарата, только один раз в секунду в соответствии с летными навигационными требованиями, что является недостаточным для навигационных требований аэропорта, поскольку такая частота предоставления данных не дает возможности обнаруживать смещение летательного аппарата удовлетворительным образом.
Настоящее изобретение направлено на устранение этих недостатков. Оно относится к способу определения с точностью и с высокой скоростью обновления данных наземного положения произвольного летательного аппарата (перемещающегося объекта), который находится в аэропорту.
Для этой цели согласно изобретению обеспечен способ, в соответствии с которым используют позиционные данные, выдаваемые периодически, а также инерциальные данные, причем способ заключается в следующем:
А/ при каждой выдаче позиционных данных такие позиционные данные используют для определения положения летательного аппарата; и
В/ между двумя последовательными выдачами позиционных данных учитывают указанные инерциальные данные, и:
а) временной промежуток между этими двумя последовательными выдачами разделяют на множество временных интервалов с одинаковой длительностью, разграниченных промежуточными моментами времени;
b) в каждом из указанных промежуточных моментов времени определяют инерциальную скорость летательного аппарата на основе соответствующих инерциальных данных;
с) для каждого временного интервала вычисляют средние значения инерциальных скоростей в двух промежуточных моментах времени, ограничивающих этот временной интервал, и из этого выводят наземное смещении летательного аппарата в ходе указанного временного интервала, и
d) для каждого промежуточного момента времени определяют положение летательного аппарата на основе его положения в предыдущий промежуточный момент времени и на основе его смещения в ходе временного интервала, ограниченного этими двумя соответствующими промежуточными моментами времени, текущим и предыдущим.
Таким образом, согласно изобретению положение летательного аппарата определяют с частотой, которая выше, чем частота выдачи позиционных данных, делая тем самым возможным в частности удовлетворять требованиям по высокой скорости обновления информации о положении летательного аппарата в рамках аэродромной навигации.
Настоящее изобретение принимает во внимание тот факт, что позиционные данные, которые предпочтительно являются данными, вырабатываемыми приемным устройством, которое установлено на самолете и которое связано со стандартной спутниковой системой позиционирования, например, типа GPS, являются наиболее точными доступными данными. Таким образом, такие позиционные данные используют для определения положения летательного аппарата каждый раз при их выдаче (шаг А/). Кроме того, для получения информации о положении летательного аппарата между двумя последовательными выдачами таких позиционных данных, учитывают инерциальные данные, которые предпочтительно являются данными, вырабатываемыми инерциальной платформой указанного летательного аппарата (шаг В/). Положение летательного аппарата, полученное на основе указанных инерциальных данных, предположительно менее точное (обычно), чем положение, полученное на основе позиционных данных, но оно выдается с гораздо большей частотой и поэтому дает возможность заполнять отсутствие информации между двумя выдачами позиционных данных.
Настоящее изобретение применяется в любом типе летательного аппарата, движущегося по земле, и содержит средства произвольного типа, которые способны вырабатывать позиционные данные и инерциальные данные.
В первом упрощенном варианте осуществления изобретения на этапах В/с) и В/d) положение летательного аппарата определяют с помощью следующих выражений:
В которых
i+1
i+1
i+1
- Хи Х являются координатами в горизонтальной плоскости указанного положения летательного аппарата в промежуточный момент времени t;
i
i
i
- Х и Y являются координатами в горизонтальной плоскости указанного положения летательного аппарата в предыдущий промежуточный момент времени t;
i+1
i+1
i+1
- Vx и Vx являются координатами в горизонтальной плоскости инерциальной скорости летательного аппарата в промежуточный момент времени t;
i
i
i
- Vx и Vy являются координатами в горизонтальной плоскости инерциальной скорости летательного аппарата в промежуточный момент времени t; и
- dt является длительностью временного интервала.
Кроме того, во втором варианте осуществления можно корректировать возможную ошибку, возникающую из-за медленного смещения инерциальной платформы, используемой, если необходимо, для выработки инерциальных данных, на этапах В/с) и В/d), при этом положение летательного аппарата определяют с помощью следующих выражений:
i
i
в которых в дополнение к вышеуказанным параметрам Vx и Vy вычисляют скорости, которые корректируют относительно скорости приемной антенны, связанной с вышеуказанным приемным устройством, и используют для выработки позиционных данных при каждой выдаче указанных позиционных данных.
Предпочтительно, чтобы указанные инерциальные данные прямо соответствовали инерциальным скоростям. Однако, в конкретном варианте осуществления, указанные инерциальные данные могут также соответствовать ускорениям, которые используют для определения указанных инерциальных скоростей. Это дает возможность, в частности, увеличивать частоту вычисления положения летательного аппарата, поскольку ускорения выдают с большей частотой, чем инерциальные скорости. В этом случае ускорения используют для выполнения инерциальной экстраполяции между двумя последовательными выдачами информации об инерциальной скорости.
В конкретном варианте осуществления при каждой выдаче позиционных данных:
- определяют первое положение летательного аппарата на основе инерциальных данных в соответствии с вышеуказанным шагом В/;
- вычисляется отклонение между этим первым положением и вторым положением, полученным с помощью указанных выданных позиционных данных; и
- положение летательного аппарата определяют
- указанным первым положением, если отклонение, вычисленное таким образом, больше или равно первому заранее определенному значению, или меньше, чем второе заранее определенное значение; и
- указанным вторым положением, если указанное отклонение меньше, чем указанное первое заранее определенное значение.
Последний описанный вариант осуществления дает возможность контроля и, если необходимо, фильтрации возможных ошибок позиционных данных ограниченной длительности (заранее определенное ограничение).
Более того, предпочтительно, на последующем этапе С/ отображать на экране карту, показывающую окружение летательного аппарата (например, карта аэропорта), причем карта снабжена символом, отмечающим положение указанного летательного аппарата, определенное на этапах (А/ и В/d).
В этом случае предпочтительно:
- собирают информацию о точности, относящуюся к точности указанных позиционных данных;
- на основе этой информации о точности определяют ошибку потенциального положения летательного аппарата; и
- на указанной карте высвечивают зону, показывающую ошибку потенциального положения летательного аппарата вокруг указанного символа.
Настоящее изобретение также относится к бортовому устройству для определения наземного положения произвольного летательного аппарата, в частности летательного аппарата, движущегося по аэропорту.
Согласно настоящему изобретению указанное устройство такого типа содержит:
- первое средство для выдачи позиционных данных; и
- второе средство выдачи инерциальных данных,
отличающееся тем, что оно, кроме того, содержит:
- третье средство для определения положения летательного аппарата при каждой выдаче позиционных данных на основе указанных позиционных данных; и
- четвертое средство для определения положения летательного аппарата на основе инерциальных данных между двумя последовательными выдачами позиционных данных, причем временной промежуток между двумя последовательными выдачами разделен на множество временных интервалов одинаковой длительности, отделенных промежуточными моментами времени, причем указанное четвертое средство содержит:
(средство для определения в каждый из указанных промежуточных моментов времени инерциальной скорости на основе соответствующих инерциальных данных;
(средство, вычисляющее для каждого временного интервала средние инерциальные скорости в двух промежуточных моментах времени, ограничивающих такой временной интервал, и определяющее из этого наземное смещение летательного аппарата в ходе указанного соответствующего временного интервала; и
(средство, определяющее для каждого промежуточного момента времени положение летательного аппарата на основе его положения в предыдущий промежуточный момент времени и на основе его смещения в ходе временного интервала, ограниченного этими двумя соответствующими промежуточными моментами времени, текущим и предыдущим.
В конкретном варианте осуществления устройство согласно изобретению содержит, более того, пятое средство для представления на экране карты, показывающей окружение летательного аппарата, оснащенной символом, указывающим положение летательного аппарата, определенное с помощью указанных первого и второго средств.
Кроме того, в предпочтительном варианте осуществления:
- указанное первое средство содержит приемное устройство (связанное с антенной), которое установлено на самолете и которое связано со стандартной спутниковой системой позиционирования; и/или
- указанное второе средство содержит, по меньшей мере, одну инерциальную платформу указанного летательного аппарата.
На чертеже отражен способ, с помощью которого изобретение может быть осуществлено. Этот чертеж представляет блок-схему устройства согласно настоящему изобретению.
Устройство 1 согласно изобретению, схематически представленное на чертеже, установлено на борту летательного аппарата (не показан), в частности летательного аппарата, который движется по земле, и предназначено для определения текущего наземного положения указанного летательного аппарата, например положения объекта в аэропорту, в случае, если это летательный аппарат.
Соответственно, указанное устройство 1 является устройством такого типа, которое содержит:
- средство 2, описанное ниже, для периодической выдачи позиционных данных; и
- средство 3, также описанное ниже, для выдачи (обычно также периодически) инерциальных данных летательного аппарата.
Согласно изобретению указанное устройство 1, кроме того, содержит:
- средство 4 для определения стандартным образом положения летательного аппарата на основе полученных позиционных данных, осуществляющее это в каждый момент выдачи таких позиционных данных указанным средством 2. Указанные позиционные данные выдаются, например, один раз в секунду; и
i
- средство 5 для определения положения летательного аппарата на основе инерциальных данных, выдаваемых указанным средством 3, осуществляющее это между двумя последовательными выдачами позиционных данных. Соответственно, временной промежуток Тс между двумя последовательными выдачами позиционных данных разделен на множество временных интервалов ΔТ (например, на десять интервалов) одинаковой длительности, разделенных промежуточными моментами времени Т, где i - целое число.
Для этой цели указанное средство 5 содержит следующие входящие в него средства:
i
Средство для определения в каждый из указанных промежуточных моментов времени Т инерциальной скорости на основе инерциальных данных, соответствующих указанному промежуточному моменту времени.
Средство, вычисляющее для каждого временного интервала ΔТ среднюю инерциальную скорость в двух промежуточных моментах времени такого временного интервала и определяющее из этого наземное смещение летательного аппарата в ходе этого временного интервала ΔТ.
i
i-1
i
i-1
i
Средство для определения для каждого текущего промежуточного момента времени (Т, например) положения летательного аппарата на основе его положения в промежуточный момент времени (Т, например) и на основе его смещения во время временного интервала, ограниченного этими двумя промежуточными моментами времени, текущего и предыдущего (например, Т и Т для текущего промежуточного момента времени Т).
Эти различные вычисления выполняют для горизонтальной плоскости, представляющей землю так, чтобы каждый параметр положения и скорости содержал две координаты.
Указанное устройство 1 содержит, кроме того, средство 6, которое соединено с помощью связей 7 и 8 соответственно с указанными средствами 4 и 5 и которое получает положения, определяемые этими средствами 4 и 5 и формирует их, если необходимо, до передачи их средству 9 отображения.
Это средство 9 отображения содержит, по меньшей мере, один стандартный экран 10 и выполнено таким образом, чтобы представлять на этом экране 10 карту (не представлена), которая показывает окружение летательного аппарата и которая снабжена символом, показывающим текущее положение летательного аппарата таким, как оно передано указанным средством 6. Это текущее положение периодически уточняется на экране 10 с каждой новой выдачей значения текущего положения.
В случае летательного аппарата указанная карта может быть картой аэропорта, показывающей, по меньшей мере, одну часть аэропорта, на которой расположен и возможно движется самолет, и указанный символ является символом, показывающим положение указанного летательного аппарата в указанном аэропорту.
В конкретном варианте осуществления указанные средства 4, 5 и 6 группируются вместе в центральном блоке 11, который соединяется с помощью линий 12, 13 и 14 связи соответственно с указанным средством 2, с указанным средством 3 и с указанным средством 9 отображения.
Кроме того, в конкретном варианте осуществления:
- указанное средство 2 содержит стандартное приемное устройство 15, которое соединено с помощью линии 16 связи с антенной 17, расположенной на летательном аппарате, например сверху летательного аппарата, и взаимодействующей со стандартной спутниковой системой позиционирования, предпочтительно типа GPS (например, Navstar, Galileo, GNSS, GLONAS), и которое периодически предоставляет (обычно один раз в секунду согласно летным навигационным требованиям) позиционные данные. Эти позиционные данные позволяют средству 4 выводить из них (периодически) обычным образом текущее положение летательного аппарата; и
- указанное средство 3 содержит, по меньшей мере, одну стандартную инерциальную платформу указанного летательного аппарата.
Таким образом, устройство 1 согласно настоящему изобретению определяет положение летательного аппарата с частотой, которая выше, чем частота выдачи (средством 2) позиционных данных, давая, таким образом, в особенности возможность удовлетворять требованию по высокой скорости обновления положения летательного аппарата в рамках аэродромной навигации.
Настоящее изобретение учитывает тот факт, что позиционные данные (которые генерируются приемным устройством 15 средства 2, которое взаимодействует со стандартной спутниковой системой позиционирования), являются доступными используемыми данными, которые являются наиболее точными. Устройство 1 также учитывает эти позиционные данные (с помощью средства 4) для определения положения летательного аппарата каждый раз, когда они выдаются. Более того, для получения информации о положении летательного аппарата между двумя последовательными выдачами таких позиционных данных указанное устройство 1 учитывает (с помощью средства 5) инерциальные данные, вырабатываемые средством 3. Положение летательного аппарата, полученное на основе указанных инерциальных данных, конечно, менее точно (в общем), чем положение летательного аппарата, полученное на основе позиционных данных, но они выдаются с гораздо большей частотой и поэтому дают возможность заполнить отсутствие информации между двумя выдачами позиционных данных.
Настоящее изобретение применимо в любом типе летательного аппарата, движущегося по земле и содержащего средства 2, 3 (произвольного типа), которые способны генерировать позиционные данные и инерциальные данные. Однако предпочтительное применение относится к помощи в аэродромной навигации для летательного аппарата вышеуказанного типа.
В первом упрощенном варианте осуществления указанное средство 5 определяет положение летательного аппарата с помощью следующих выражений:
в которых
i+1
i+1
i+1
- Х и Х являются координатами в горизонтальной плоскости указанного положения летательного аппарата в текущий промежуточный момент времени t;
i
i
i
- Х и Y являются координатами в горизонтальной плоскости указанного положения летательного аппарата в предыдущий промежуточный момент времени t;
i+1
i+1
i+1
- Vx и Vx являются координатами в горизонтальной плоскости инерциальной скорости летательного аппарата в промежуточный момент времени t;
i
i
i
- Vx и Vy являются координатами в горизонтальной плоскости инерциальной скорости летательного аппарата в промежуточный момент времени t; и
- dt является длительностью временного интервала.
Для того чтобы улучшить рассмотрение смещения летательного аппарата за каждый промежуточный интервал ∆t и принятие во внимание выборки, средство 5 вычисляет среднее арифметическое значения двух инерциальных скоростей, взятых в начале и в конце этого временного интервала ∆t.
Известно, что инерциальные скорости могут быть связны с ошибкой из-за медленного, при необходимости, смещения инерциальной платформы 3. Эта ошибка является абсолютной (то есть она соответствует постоянной составляющей). Поэтому, чтобы обойти такую ошибку указанное средство 5 определяет положение летательного аппарата с помощью следующих выражений:
i
i
в которых в дополнение к вышеуказанным параметрам вычисляются скорости Vx и Vy, которые корректируются относительно скорости приемной антенны 17, связанной с приемным устройством 2, которые используют для выработки позиционных данных. Такая корректировка выполняется при каждой выдаче указанных позиционных данных.
i
i,
Предпочтительно, чтобы указанные инерциальные данные прямо соответствовали инерциальным скоростям Vx и Vyупрощая таким образом вычисление положения летательного аппарата с помощью предыдущих выражений. Однако в отдельном варианте осуществления указанные инерциальные данные могут также соответствовать ускорениям, которые используются для определения указанных инерциальных скоростей Vx и Vy. Это дает возможность, в частности, увеличивать частоту вычисления положения летательного аппарата, поскольку ускорения выдаются (обычно каждые 20 мс) с большей частотой, чем инерциальные скорости обычно каждые 100 мс). В этом случае ускорения используют для выполнения инерциальной экстраполяции между двумя последовательными выдачами информации об инерциальной скорости, что служит в свою очередь основой для корректировки этого подалгоритма. Остальная часть алгоритма остается неизменной.
В конкретном варианте осуществления при каждой выдаче позиционных данных:
- указанное средство 5 определяет первое положение летательного аппарата с помощью позиционных данных и инерциальных данных вышеуказанным способом;
- указанное средство 4 определяет, как отмечалось выше, второе положение летательного аппарата на основе указанных позиционных данных, полученных от средства 2; и
- указанное средство 6 вычисляет отклонение между этими первым положением и вторым положением, и выводит из них, что положение летательного аппарата (выбранное и показанное на экране) соответствует:
- указанному первому положению, если отклонение, вычисленное таким образом, больше или равно первому заранее определенному значению (и меньше, чем второе заранее определенное значение); и
- указанному второму положению, если указанное отклонение меньше, чем указанное первое заранее определенное значение.
Последний описанный вариант осуществления дает возможность контроля и, если необходимо, фильтрации возможных ошибок ограниченной длительности в позиционных данных (заранее определенное ограничение).
Известно, что в случае средства 2 типа GPS приемное устройство 15 способно обеспечивать стандартные значения HDOP, HFOM и HIL, которые предоставляют точную информацию и дают сигналы в реальном времени о качестве выдаваемой информации о расположении (позиционные данные). Таким образом, устройство 1 согласно изобретению, более того, содержит средство 18, которое, например, интегрировано в центральный блок 11 и которое получает информацию о точности вышеуказанного типа и определяет потенциальную ошибку в определении положения летательного аппарата на основе этой информации о точности, объединяя ее с точностью картографических данных, используемых средством 9 отображения. Указанное средство 18 может предавать эту потенциальную ошибку к указанному средству 9 отображения для того, чтобы она высвечивалась на указанной карте вокруг символа, показывающего текущее положение летательного аппарата, в виде зоны, которая показывает указанную потенциальную ошибку, то есть зоны, в которой самолет расположен с определенной вероятностью.
Зная текущую шкалу, используемую средством 9 отображения, проекцию, используемую для представления карты, и характеристики экрана 10, возможно определить из них потенциальную ошибку изображения на экране 10 (в пикселях) с определенной вероятностью. Как функцию ошибки (и возможно ее соответствующей вероятности) можно предусмотреть средство (не представлено) для предупреждения пилота (например, в форме аудио и/или видеосигналов тревоги) о риске несоответствия между точностью положения летательного аппарата и деталировки карты. Такие сигналы тревоги могут быть разного вида, от простого сообщения, адресованного пилоту, до запрещения использовать конкретные масштабы отображения для средства 9 отображения.