Системы позиционирования для оптико-электронных систем наблюдения и ориентации

СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

Заключение

- разработан метод измерения улов относительно горизонта, схема построения системы позиционирования и алгоритмы обработки информации;

- разработана методика и алгоритм обработки результатов измерений идентификации паспортизируемых параметров микромеханических акселерометров в составе систем позиционирования;

- разработан метод алгоритмической компенсации погрешностей из-за изменения температуры окружающей среды, напряжения питания и нелинейности масштабного коэффициента;

- разработана процедура сертификации систем позиционирования оптико-электронных систем, методика и алгоритм обработки информации при ресурсных испытаниях, поз-

воляющая сократить время ресурсных испытаний в десятки раз, что позволяет создать целый ряд новых изделий для народного хозяйства, военной и ракетно-космической техники.

Библиографический список

1. Ачильдиев, В.М., Грузевич Ю.К., Рязанов С.С. и др. Способ определения уклонов и система позиционирования для его осуществления. Заявка на изобретение. Регистрационный №2008114901 от 18.04.2008 г.

2. Ачильдиев, В.М. Системы управления средств выведения и их сертификация / В.М. Ачильдиев, С.М. Вязов, Э. А. Колозезный и др. - М.: МГУЛ, 2004. - С. 175.

3. Ачильдиев, В.М. Бесплатформенные инерциальные блоки на основе микромеханических датчиков угловой скорости и линейного ускорения / В.М. Ачильдиев. - М.:МГУЛ, 2007.

4. Electro-optical imaging: system performance and modeling\ L. Biberman, editor. - SPIE Press, 2000, - 645 p.

СИСТЕМЫ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ ДЛЯ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ

систем наблюдения и ориентации

В.А. СОЛДАТЕНКОВ, генеральный директор ОАО «НПО Геофизика-НВ»,

Ю.К. ГРУЗЕВИЧ, заместитель генерального директора по науке ОАО «НПО Геофизика-НВ», В.М. АЧИЛЬДИЕВ, главный конструкторМНЭМС ОАО «НПО Геофизика-НВ»,

В.В. ПОЗДНЯКОВ, главный конструктор НСЦИ ОАО «НПО Геофизика-НВ»,

А.Д. ЛЕВКОВИЧ, инженер ОАО «НПО Геофизика-НВ»

Появление микромеханических датчиков и бесплатформенных инерциальных блоков на их основе позволяет существенно улучшить тактико-технические характеристики различных оптико-электронных систем. Использование бесплатформенного инерциального блока (БИБ) на базе микромеханических гироскопов и акселерометров, магнитометра, альтиметра, микропроцессора, приемника GPS/Глонасс и лазерного дальномера позволяет синтезировать новый тип оптико-электронных приборов (ОЭП), предназначенных для определения координат удаленного объекта [2]. На основе БИБ возможно также создание систем ориентации для нашлемных систем целеуказания и индикации НСЦИ[1]. Нашлемные системы целеуказания и индикации являются непременной принадлежностью оборудования современных самолетов и

glmnems@geo-nv. ru вертолетов. Использование микромеханических бесплатформенных инерциальных систем ориентации (МБИСО) позволит существенно увеличить диапазон измерения углов и повысить точность в диапазоне больших углов.

Структурная схема ОЭУН (оптикоэлектронное устройство наблюдения) приведена на рис. 1.

Оператор 8 наблюдает изображение объекта 7 на фоне окружающей местности. После того как оператор нажимает на кнопку «Измерить», лазерный дальномер 1 вычисляет расстояние до объекта и передает это расстояние указателю курса и позиции оперета-тора 3. Эти данные через радиоинтерфейсы 9 и 10 отправляются в компьютер, который рыссчитывает сферические координаты объекта и посылает их указателю курса и позиции оператора 3, после чего они отобража-

52

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2009

СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

ются на индикаторе 11. Блок-схема указателя курса и позиции 3 показана на рис. 2.

Микропроцессор 16 осуществляет предварительную обработку данных, поступающих с датчиков 12, 13, 14, 15. Далее эти данные через радиоинтерфейс передаются в компьютер, который производит дальнейшую обработку данных. Бесплатформенный инерциальный блок 13 содержит (не показаны) три микромеханических гироскопа, три микромеханических акселерометра, ориентированных соответственно по трем взаимно перпендикулярным измерительным осям. По их показаниям блок 13 вычисляет углы крена и тангажа оптико-электронного наблюдательного прибора и передает в микропроцессор 16 указателя курса и позиции наблюдателя.

Рис. 1. Структурная схема ОЭУН: 1 - лазерный дальномер; 2 - индикатор лазерного дальномера; 3 - указатель курса и позиции оператора; 4 - оптико-электронный наблюдательный прибор; 5 - антенна GPS/Глонасс; 6 - компьютер; 7 - объект; 8 - наблюдатель; 9 - радиоинтерфейс для связи с компьютером; 10 - радиоинтерфейс для связи с прибором; 11 - индикатор указателя курса и позиции оператора и объекта

Рис. 2. Блок-схема указателя курса и позиции: 5 - антенна GPS/Глонасс; 4 - оптико-электронный наблюдательный прибор; 9 - радиоинтерфейс для связи с компьютером; 11 - индикатор указателя курса и позиции оператора и объекта; 12 - приемник GPS/Глонасс; 13 - бесплатформенный инерциальный блок; 14 - магнитометр; 15 - альтиметр (барометрический высотомер); 16 - микропроцессор; 17 - разъем для подключения антенны GPS; 18 - разъем для подключения радиоинтерфейса связи с компьютером; 19 - разъем для подключения индикатора указателя курса и позиции

Рис. 3. Блок-схема указателя курса и позиции оператора и объекта 21: 1 - лазерный дальномер; 3 - указатель курса и позиции оператора; 5 - антенна GPS/Глонасс; 11- индикатор указателя курса и позиции оператора и объекта; 16 - микропроцессор; 19 - разъем для подключения индикатора указателя курса и позиции; 20 -разъем для подключения лазерного дальномера

На рис. 4 изображена оправа с полупрозрачной пластиной и дополнительным индикатором для отображения координат объекта на его изображении.

Изображение индикатора 32, формируемое оптической системой 31, преломляется полупрозрачной пластиной 30 и поступает в объектив оптико-электронного наблюдательного прибора вместе с изображением удаленного объекта. Оператор видит и изображение местности и координаты удаленного объекта.

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2009

53

СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

Рис. 4. Оправа с полупрозрачной пластиной для отображения на изображении координат оператора и объекта: 4 - оптико-электронный наблюдательный прибор; 29 - оправа с полупрозрачной пластиной и дополнительным индикатором; 28 - корпус индикатора; 30 - полупрозрачная пластина; 31- оптическая система для формирования изображения индикатора; 32 - индикатор курса и позиции оператора и объекта

Рис. 5. Система координат, используемая в оптикоэлектронном устройстве наблюдения

Способ измерения координат удаленного объекта на местности практически осуществляется тем, что наблюдатель производит сканирование местности оптико-электрон-

ным наблюдательным прибором с контролем и фиксацией в момент измерения положения прибора относительно местного горизонта и курса, его координат и расстояния от объекта до наблюдателя, которые поступают в микропроцессор, вычисляются координаты объекта, запоминаются и фиксируются на электронном изображении объекта и индикаторе [2].

На рис. 5 представлены системы координат, поясняющие способ измерения координат удаленного объекта.

На рис. 5 точкой А обозначено положение оператора, точкой В - положение объекта.

Пусть известны широта фА, долгота ХА и высота НА точки А, расстояние L до точки В, угол курса в (угол между направлением на северный полюс и направлением на объект), угол тангажа а. Поскольку максимальная измеряемая дальность не превышает 10 км, а при расстояниях меньше 10 км, заменяя дуги АС, AD, CE, AE касательными в точке А, сделаем ошибку меньшую 1 : 1 000 000 длины этой дуги, то для вычисления долготы и широты будем считать, что точки А, Е, C, D расположены на плоскости. При измерении вертикальных расстояний нельзя пренебрегать кривизной Земли даже при небольших горизонтальных расстояниях между точками.

Высота точки В вычисляется по фор-

муле

НВ = НА + Lsin(a) + 1/2(AC2/R3).

Последний член учитывает прогиб Земли Дh = 1/2

Приращение широты 5ф = фВ - фА определим из треугольника ADO по теореме косинусов

К 2(R3 + Ha)2

где AD = AC-sin^), R3 = 6 378,1 км - радиус Земли

Приращение долготы 5Х = опре-

делим из треугольника ADC по теореме косинусов

^ J(R3+Ha)2-AE2 2 (R3 + Ha)2 ’

где АЕ = AC-cos^)

54

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2009

СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

Таблица 1

Координаты наблюдателя и объектов наблюдения

Координаты наблюдателя № объекта Координаты объекта наблюдения

Широта: 55°47,638’ Долгота: 37°41,847’ 1 Широта: 55°47,749’ Долгота: 37°41,799’

2 Широта: 55°47,675’ Долгота: 37°41,844’

Таблица 2

Вычисленные координаты объектов

№ объекта Измеренные значения углов крена, тангажа и курса объекта Вычисленные координаты объекта Погрешность определения координат объекта

1 Угол крена: 2°44’ Угол тангажа -8°27’: Магнитный курс: 352°25’ Широта: 55°47,642’ Долгота: 37°41,879’ Долготы: 0,107’ = 6.42” Широты: -0,080’ = -4.8”

2 Угол крена: 2°44’ Угол тангажа -7°20’: Магнитный курс: 352°25’ Широта: 55°47,651’ Долгота: 37°41,955’ Долготы: 0,024’ = 1.44” Широты: -0,111’ = -6.66”

Итак, формулы для расчета координат удаленного объекта имеют вид:

- широта

Фя =(?а +arccos

- долгота

f [L cos(a) sin(P)]2 ^

V

2(R3 + Ha)2

,

f

Xв =ХА +arccos

- высота

1-

[Zcos(a)cos(p)] ' 2 (R3 + Ha)2

,

H, = HA + Lsin

Для проверки предложенного метода определения координат объекта был изготовлен макет ОЭУН, фотография которого приведена на рис. 7. Он состоит из ОЭП (в данном случае фотоаппарат), бесплатформенной навигационной системы «Компанав» фирмы «Текнол», которая подключается к компьютеру через СОМ порт. Данные о координатах и углах наклона оптической оси прибора считываются программой, и на основании введенной дальности до объекта вычисляются координаты удаленного объекта.

Для эксперимента были выбраны 2 объекта наблюдения, измерены их точные координаты с помощью GPS приемника и расстояние до них от точки наблюдения. Результаты испытаний приведены в табл. 1 и 2.

Как видно из табл. 2, максимальные погрешности определения координат объектов наблюдения составили: для долготы 199 м, для широты 206 м.

Рис. 6. Структурная схема НСО в самолете: 1 - каска шлема; 2 - нашлемный модуль; 3 - защитный светофильтр; 4 - светодиоды; 5 - датчики положения; 6 - нашлемная МБИСО; 7 - кабинная МБИСО; 8 - поле зрения ДП; 9 - кожух кабины

Структурная схема нашлемной системы ориентации (НСО) на основе оптико-электронной и микромеханической бесплатформенной инерциальной системы ориентации (МБИСО) приведена на рис. 6. На первом этапе разработки в качестве МБИСО используется указатель курса и позиции, блок-схема которого приведена на рис. 2.

На передней части каски шлема 1 установлен нашлемный модуль (НШМ) 2, под кожухом которого размещен откидывающийся защитный фильтр 3. На верхней части НШМ установлены инфракрасные светодиоды 4, входящие в блок ОЭ системы позиционирования (СП). Датчики положения (ДП) 5

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2009

55

СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

могут быть установлены в верхней части кожуха кабины 9, а именно, на раме переплета остекления. В этом случае обзор датчиками ДП рабочей зоны является более эффективным, особенно при больших положительных

углах места шлема. Нашлемная МБИСО 6 устанавливается рядом с центральным светодиодом, а кабинная МБИСО 7 по центру симметрично относительно датчиков положения 5.

Рис. 7. Фотография макета ОЭУН

Рис. 8. Фотография макета НСО

56

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2009

СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

Таблица 3

Накопленная ошибка и среднее квадратическое отклонение погрешности за час непрерывной работы МБИСО c МК при различных углах наклона МБИСО с МК

Начальные условия Накопленный угол (математическое ожидание) Среднее квадратическое отклонение

Курс 9 Крен у Тангаж и Курс 9 Крен y Тангаж и

о О II о О II Р о О II <х> 25’ -2,4’ 11’ 21’ 7’ 3’

<х> II о о Ъ II о о II О о 10°7,4’ 10°28,3’ 9°45,5’ 58,3’ 3’ 8’

Для предварительной проверки на функционирование МБИСО было создано рабочее место по имитации его работы в составе изделия. Фотография рабочего места приведена на рис. 8.

Информация об угловом положении шлема, крен, тангаж и курсовой угол относительно строительной системы координат летательного аппарата определяются вычитанием показаний нашлемного МБИСО из показаний бортового МБИСО.

На первом этапе исследований определялась накопленная ошибка по углам крена, тангажа и курса МБИСО.

Кроме того были оценены средние квадратические отклонения определения углов крена, тангажа и магнитного курса в двух сериях измерений. Эти оценки основаны на 3600 измерений, снятых за час работы прибора. Первая серия измерений была проведена при средних углах 9 = 0°, и = 0°, у = 0° (9 - магнитный курс, у - угол крена, и - угол тангажа), вторая серия проведена при средних углах 9 = 10°, и = 10°, у = 10° (табл. 3).

Из таблицы видно, что наибольшее СКО имеет угол курса 9. При изменении угла наклона МБИСО с МК СКО изменяются, хотя эти изменения можно объяснить и внешними воздействиями на приборы (вибрация пола, изменение температуры в помещении).

Таким образом, с наихудшей точностью определяется магнитный курс, среднее квадратическое отклонение его определения

составляет 59 = 58.3’. Для углов крена и тангажа среднее квадратическое отклонение составляет 8’.

Заключение

Предложенный метод определения координат объекта позволяет расширить функциональные возможности и увеличить быстродействия прибора при обеспечении считывания сферических координат объекта из положения «с рук» без прекращения наблюдения за объектом и местностью.

Также обеспечена возможность сохранения цифрового изображения с записью времени съемки, координат наблюдателя и координат объекта. Максимальная погрешность определения координат объекта наблюдения в эксперименте составила 206 м.

Для НСЦИ максимальное среднее квадратическое отклонение определения угла курса составляет 59 = 58.3’, среднее квадратическое отклонение определения углов крена и тангажа составляет 5и = 5у = 8’.

Библиографический список

1. Ачильдиев, В.М. Микромеханические системы позиционирования на основе микромеханических акселерометров и гироскопов для нашлемных систем целеуказания и индикации / В.М. Ачильдиев, Ю.К. Грузевич, В.А. Солдатенков и др. // Вестник МГТУ им. Баумана. - 2008. - № 3.

2. Беликова, В.Н., Поздняков В.В., Левкович А.Д. и другие. Устройство для измерения координат удаленного объекта на местности. Заявка на изобретение. Рег.№ 2008138902 от 01.10.2008 г.

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2009

57