СПОСОБ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ УДАЛЕННОГО ОБЪЕКТА С ПОМОЩЬЮ ДАЛЬНОМЕРНО-УГЛОМЕРНЫХ ПРИБОРОВ
POSITIONING OF REMOTE OBJECT BY RANGE-AND-POSITION FINDERS (RPF)

Изобретение относится к области навигационных систем и может быть использовано для позиционирования удаленного объекта на основе нескольких пространственно разнесенных дальномерно-угломерных приборов.
Имеется целый ряд задач, в которых требуется определить координаты удаленного объекта, недоступного для непосредственного позиционирования с помощью, например, спутникового навигационного приемника (СНП). Позиционирование удаленного объекта с помощью только одного дальномерно-угломерного прибора (ПДУ) не обеспечивает достаточной точности. Высокоточное позиционирование удаленного объекта возможно на основе измерения расстояний до объекта из нескольких дальномерных узлов, как минимум трех, оборудованных ПДУ. В гражданской сфере способ может найти применение при проведении геологоразведочных и строительных работ в условиях труднодоступности в горной, лесистой или болотистой местности. В военной области возможно применение способа для целеуказания различных вооружений.
Дальномерные узлы могут быть стационарными и мобильными, наземного, морского и воздушного базирования. В качестве мобильной базы дальномерных узлов часто используют беспилотные летательные аппараты, аэростаты, автомобили. Управление дальномерными узлами осуществляют операторы-наводчики вручную, а в автоматическом режиме - роботизированные системы. Объект и дальномерные узлы должны быть попарно расположены не на одной прямой линии в пределах прямой видимости или радиовидимости в зависимости от физического принципа работы ПДУ. Дальномерные узлы измеряют расстояние до удаленного объекта, а главный дальномерный узел, который управляет другими дальномерными узлами, вычисляет координаты объекта и может измерять углы азимута и подъема объекта, называется дальномерным узлом наводчика.
Основной проблемой, возникающей при позиционировании объекта, является отсутствие четкого критерия попадания луча ПДУ на объект. Особенно это актуально в случае мобильного малоразмерного объекта с высокой динамикой перемещения по сложной траектории. Способ может применяться в роботизированных системах позиционирования объекта с автоматическим дистанционным управлением ПДУ из дальномерного узла наводчика.
В настоящее время широкое применение получают индивидуальные дальномерные приборы наводчика, работающие по принципу прямой засечки, который основан на определении угла магнитного азимута, угла подъема и расстояния до объекта из одной точки. Для определения собственных координат эти приборы, как правило, используют показания СНП.
Известен способ позиционирования удаленных объектов с помощью ПДУ, при котором ПДУ дальномерного узла, координаты которого определены в одной из выбранных систем координат, например в геодезической, Гаусса-Крюгера или локальной системе координат, наводят на объект и определяют по отношению к себе его сферические координаты, включающие наклонную дальность, угол магнитного азимута и угол подъема. Затем с учетом собственных координат дальномерного узла сферические координаты объекта преобразуют в координаты выбранной системы координат (Кухарев А.Д., Монтвиж-Монтвид И.Е., Шарифуллин P.M. Пути повышения точности координат удаленных объектов // Материалы II Российской научно-технической конференции «Новые информационные технологии в системах связи и управления». - Калуга, 2003, с. 45-50).
Способ прост в исполнении, но имеет ряд недостатков, заключающиеся в его низкой точности из-за погрешности определения угла магнитного азимута, грубых ошибок позиционирования объектов из-за отсутствия критерия попадания луча на удаленные объекты (ошибка прицеливания), невозможности его использования вблизи металлических конструкций и в зонах магнитных аномалий.
Известен также способ позиционирования удаленных объектов с помощью ПДУ, при котором имеется как минимум три дальномерных узла, один из которых - дальномерный узел наводчика, пространственно расположенных на некотором удалении друг от друга и от объекта, но в пределах прямой видимости объекта. Дальномерные узлы, в том числе дальномерный узел наводчика, наводят свои ПДУ на объект и определяют расстояния до объекта. Затем величины измеренного расстояния передают на дальномерный узел наводчика, который на основании измерений расстояний и по значениям своего угла магнитного склонения и широты определяет координаты объекта (Самарин А. Мультисенсорные навигационные системы для локального позиционирования. - Современная электроника. - №6. - 2006. - с. 10-17).
Этот способ обеспечивает более высокую точность позиционирования объекта за счет более высокой точности измерения линейных расстояний по сравнению с измерением угловых координат, однако и он имеет недостатки, обусловленные тем, что требуется точное знание угла магнитного склонения и возможны грубые ошибки из-за отсутствия критерия попадания луча ПДУ на объект.
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ (прототип) позиционирования удаленных объектов с помощью ПДУ, заключающийся в том, что имеется, как минимум, три дальномерных узла, один из которых - дальномерный узел наводчика, пространственно расположенных на некотором удалении друг от друга и от объекта, но в пределах прямой видимости объекта, и при этом координаты дальномерных узлов определены в одной из выбранных систем координат. Дальномерные узлы наводят свои ПДУ на объект и определяют расстояния до удаленного объекта, после этого координаты объекта определяют пересечением сфер с центрами в трех либо более дальномерных узлах (Дардари Д. Методы спутникового и наземного позиционирования. Перспективы развития технологий обработки сигналов. М., Техносфера, 2012, с. 126).
Этот способ также не лишен недостатков, заключающихся в недостаточно высокой точности позиционирования при рассогласовании измерений ПДУ дальномерных узлов и возможности грубой ошибки прицеливания ПДУ из-за отсутствия критерия попадания луча ПДУ на удаленный объект.
Целью изобретения является повышение точности позиционирования объекта за счет многократной итеративной коррекции наведения ПДУ на объект, согласования и синхронизации измерений ПДУ при обработке результатов измерений и исключения грубых ошибок позиционирования объекта за счет ввода критерия попадания луча ПДУ на удаленные объекты, основанного на избыточности информации определения координат объекта.
Для достижения цели предложен способ позиционирования удаленного объекта с помощью ПДУ, заключающийся в том, что имеется как минимум три дальномерных узла, один из которых - дальномерный узел наводчика, пространственно расположенных на некотором удалении друг от друга и от объекта, но в пределах прямой видимости объекта, и при этом координаты дальномерных узлов определены в одной из выбранных систем координат. Дальномерные узлы наводят свои ПДУ на объект и определяют расстояния до удаленного объекта, после этого координаты объекта определяют пересечением сфер с центрами в трех либо более дальномерных узлах. Новым является то, что вначале дальномерный узел наводчика наводит свой ПДУ на объект и определяет расстояние и угловые координаты объекта в сферической системе координат. Затем по этим измерениям вычисляют первое приближение выходных координат объекта, которые далее передают на остальные дальномерные узлы. Дальномерные узлы по этим координатам прицеливают свои ПДУ и определяют расстояния до объекта. Затем по измеренным расстояниям вычисляют второе приближение выходных координат объекта и передают их на остальные дальномерные узлы. Дальномерные узлы по этим координатам заново прицеливают свои ПДУ и определяют расстояния до объекта, затем по измеренным расстояниям вычисляют третье приближение выходных координат объекта и так далее, пока разница в определении выходных координат объекта в двух соседних по порядку выполнения приближениях выходных координат объекта не станет менее порогового значения. При этом вычисление координат объекта выполняют на основании расстояния от дальномерного узла наводчика и множества сочетаний расстояний от дальномерных узлов, взятых попарно. Причем для дальномерных узлов, расстояния которых до объекта определяют координаты объекта, отклоняющиеся от выходных координат объекта более, чем на величину порогового значения, выполняют дополнительное прицеливание ПДУ путем пробных угловых перемещений. При этом расстояния от дальномерных узлов до объекта, определяющие координаты объекта, отклоняющиеся от выходных координат объекта более, чем на величину порогового значения, исключают из вычислений выходных координат объекта. Причем выходные координаты объекта определяют на основании координат объекта, вычисленных по расстояниям от дальномерного узла наводчика и множества сочетаний расстояний от дальномерных узлов, взятых попарно, путем определения среднего арифметического значения координат объекта. При этом вычисления координат объекта начинают с расстояний, измеренных дальномерными узлами, наиболее близко расположенных к объекту.
Рассмотрим осуществление предлагаемого способа позиционирования удаленного объекта с помощью ПДУ.
Позиционирование объекта выполняет дальномерный узел наводчика, используя для этого свои измерения расстояния и углов объекта и измерения расстояний других дальномерных узлов. Измерение расстояния и углов ПДУ может быть основано на принципах радиолокации, с использованием лазерных дальномеров, возможно использование ультразвукового излучения. ПДУ оборудованы механизмами дистанционного прицеливания, которые по координатам объекта обеспечивают наведение ПДУ на объект. Дальномерный узел наводчика также оборудован вычислительным устройством для расчета координат объекта. Оператор дальномерного узла наводчика может управлять своим ПДУ вручную, либо дистанционно с использованием устройств видеонаблюдения. В этом случае оператор может находиться в укрытии вдали от дальномерного узла наводчика. Дальномерные узлы задают локальную систему координат с центром в дальномерном узле наводчика.
При попадании объекта в зону видимости дальномерный узел наводчика нацеливает свой ПДУ на объект и определяет наклонную дальность, угол азимута и угол подъема объекта (фигура 1). По измеренным величинам дальномерный узел наводчика вычисляет координаты объекта (х,y,z) в локальной декартовой системе координат как проекции на оси локальной системы координат. Для этого используют следующие формулы:
где ρ - наклонная дальность, β - угол азимута, а α - соответственно угол подъема объекта. Координаты других дальномерных узлов определяются в декартовой системе координат дальномерного узла наводчика.
Используя вычисленные координаты (x, y, z), которые являются первым приближением выходных координат объекта, проводят прицеливание ПДУ остальных дальномерных узлов на объект. Для прицеливания используют углы азимута и подъема объекта для каждого дальномерного узла, которые вычисляют по формулам
После прицеливания осуществляют измерения расстояний от дальномерных узлов до объекта. Эти расстояния позволяют выполнить более точный расчет координат объекта и последующее более точное прицеливание ПДУ дальномерных узлов и ПДУ дальномерного узла наводчика.
1
2
n
1
2
n
1
2
1
3
n-1
n
1
2
<mrow><msubsup><mi>C</mi><mi>n</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>=</mo><mi>n</mi><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>n</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
Обозначим дальномерные узлы в порядке их номеров в виде y, y, …y. Пусть расстояния от дальномерных узлов до объекта есть соответственно ρ, ρ, …, ρ, а расстояние от дальномерного узла наводчика до объекта - ρ. Составим сочетания дальномерных узлов из n по 2: (y,y), (y,y)…(y,y) - всего
/2 попарных сочетаний. Для каждых трех дальномерных узлов, из которых первые два дальномерных узла (y,y) взяты из попарных сочетаний дальномерных узлов из n по 2, а третий дальномерный узел есть дальномерный узел наводчика, можно составить систему уравнений
1
1
1
2
2
2
н
н
н
где (x,y,z) - координаты первого дальномерного узла в попарном сочетании дальномерных узлов из n по 2 в локальной системе координат, (х,y,z) - координаты второго дальномерного узла, (x,y,z) - координаты дальномерного узла наводчика.
<mrow><mi>r</mi><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>…</mo><msubsup><mi>C</mi><mi>n</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow>
Система уравнений (3) решается аналитически или численно, что позволяет определить координаты объекта (x,y,z) для всех
попарных сочетаний дальномерных узлов из n по 2. При решении системы уравнений (3) получается одно истинное и одно побочное решение, которое в большом числе случаев может быть отброшено логическими средствами.
Для дальномерных узлов, которые измеряют расстояния, на основании которых получаются координаты объекта, отклоняющиеся от выходных координат объекта более величины порогового значения, выполняют дополнительное прицеливание ПДУ путем их пробных угловых перемещений. Пробное перемещение может заключаться, например, в перемещении луча ПДУ по спирали в пределах конуса с небольшим углом в 1-2 градуса при его вершине, расположенной в дальномерном узле. При различном положении луча вычисляют координаты объекта и сравнивают их с последним приближением выходных координат объекта. Выбирают положение луча, обеспечивающее наилучшую сходимость к выходным координатам объекта.
r
r
<mrow><mi>r</mi><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>…</mo><msubsup><mi>C</mi><mi>n</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow>
1
Затем выполняют обработку множества координат объекта (х,у,z). Обработка должна быть устойчивой к значительным отклонениям координат объекта от истинного значения. Для этого вычисляют расхождение (невязки) по методу наименьших квадратов между координатами объекта (x,y,z) для всех
и выходными координатами объекта (x,y,z) первого или предыдущего приближения
r
пор
Далее сравнивают полученные невязки ε с пороговым значением невязки ε, и значения координат объекта, которые превышают пороговое значение, не используют для вычисления приближения координат объекта. Пороговое значение невязки выбирают соизмеримым по величине с линейными размерами объекта. Если максимальные линейные размеры объекта, например, равны 1 м, то и пороговое значение невязки берут примерно равным 1 м.
Для оставшихся координат объекта дальномерных узлов вычисляем их покоординатное среднее арифметическое.
<mrow><msqrt><mi>m</mi></msqrt></mrow>
Поскольку дисперсия среднего арифметического примерно в m раз меньше дисперсии слагаемого, то погрешность выходных координат объекта, вычисленных по формуле (5), уменьшится примерно в
раз.
2
Координаты (x,y,z) будут вторыми приближениями выходных координат объекта, полученных на второй итерации вычислений.
1
2
Далее проверяют условие окончания вычислений выходных координат объекта. Для окончания вычислений необходимо, чтобы разность между приближениями выходных координат объекта двух последовательных итераций не превышала порогового значения. Вычисляют невязку по методу наименьших квадратов между выходными координатами (х,у,z) на первой итерации и выходными координатами (x,y,z) на второй итерации и сравнивают эту невязку с пороговым значением. Пороговое значение в данном случае выбирают равным некоторой части максимальных линейных размеров объекта. Например, если максимальные линейные размеры объекта равны 1 м, то пороговое значение невязки берут равным, например, 0,3 м. Пороговое значение невязки определяется требуемой точностью выходных координат, то есть точностью прицеливания.
2
Если условие окончания вычислений выходных координат объекта выполняется, то позиционирование объекта в локальной системе координат, а значит, и прицеливание закончено. Иначе переходят к следующей итерации вычислений приближений выходных координат объекта. Для этого координаты (x,y,z) передают на остальные дальномерные узлы. В соответствии с этими координатами дальномерные узлы прицеливают свои ПДУ на объект и заново осуществляют измерение расстояний до объекта, то есть выполняют действия, аналогичные действиям второй итерации и так далее.
Поскольку точность измерения расстояний зависит, как правило, от величины этих расстояний, целесообразно вычисления координат объекта начинать с расстояний, измеренных дальномерными узлами, наиболее близко расположенных к объекту.
Число итераций вычисления приближений выходных координат объекта определяет точность прицеливания дальномерных узлов. Последовательность действий при локальном позиционировании объекта будет состоять из следующих шагов:
Шаг 1. Прицеливание дальномерного прибора наводчика.
Шаг 2. Определение координат объекта (x,y,z) по формулам (1).
Шаг 3. Вычисление углов объекта по формулам (2) и прицеливание дальномерных приборов узлов.
Шаг 4. Измерение расстояний от дальномерных узлов до объекта.
<mrow><mi>r</mi><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>…</mo><msubsup><mi>C</mi><mi>n</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow>
Шаг 5. Вычисление координат объекта (x,y,z) для всех
.
r
Шаг 6. Обработка координат объекта (х,y,z) с учетом формулы (4).
Шаг 7. Расчет координат объекта (x,y,z) по формуле (5).
Шаг 8. Если условие окончания прицеливания не выполняется, то идти 3, иначе - идти 9.
Шаг 9. Конец.
СНП обеспечивают точность позиционирования не более 0,6-0,9 м, а локальные навигационные системы (ЛНС) позволяют определять координаты объекта с существенно более высокой точностью, равной примерно 0,1 м. Дальнейшее повышение точности позиционирования объекта достигается за счет итеративной процедуры прицеливания дальномерных узлов, согласования и синхронизации измерений. Надежность и живучесть ЛНС при выходе из строя части дальномерных узлов обеспечивается введением структурной избыточности за счет дополнительных дальномерных узлов. Система локального позиционирования объекта сохраняет свою работоспособность при наличии не менее двух дальномерных узлов и одного дальномерного узла наводчика, попарно расположенных не на одной прямой линии.
Таким образом, более точное прицеливание ПДУ дальномерных узлов и ПДУ наводчика выполняют путем последовательных приближений. Критерием попадания луча наводчика на объект является значение среднеквадратического отклонения координат объекта от последнего приближения этих координат, полученных на предыдущей итерации вычислений. Точность прицеливания ПДУ определяет и точность вычисления координат объекта. Использование для вычисления координат объекта только расстояний тех дальномерных узлов, которые дают координаты объекта, незначительно отличающихся от их предыдущего приближения после выполнения пробного углового перемещения луча дальномерных приборов, обеспечивает согласование измерений различных дальномерных узлов. Высокая скорость вычислений координат объекта дальномерным узлом наводчика позволяет выполнять измерения расстояний синхронно, что немаловажно для мобильного объекта с высокой динамикой перемещения. Высокая надежность и живучесть системы позиционирования обеспечивается введением структурной избыточности в виде дополнительных дальномерных узлов. Это позволяет при выходе из строя части дальномерных узлов сохранить работоспособное состояние системы позиционирования объекта. В процессе позиционирования лишь уточняются координаты того объекта, который сначала был выбран оператором-наводчиком. Понятно, что если наводчик сначала ошибся с выбором объекта, то будут определены координаты другого объекта. Поэтому целесообразно окончательное решение о правильности позиционирования удаленного объекта оставить наводчику, который после окончания процедуры прицеливания по результатам видеонаблюдения определяет правильность позиционирования объекта.
Достигаемым техническим результатом предлагаемого способа позиционирования удаленного объекта с помощью дальномерно-угломерных приборов является повышение точности позиционирования объекта за счет многократной итеративной коррекции наведения ПДУ на объект, согласования и синхронизации измерений ПДУ при обработке результатов измерений и исключения грубых ошибок позиционирования объекта за счет ввода критерия попадания луча ПДУ на удаленные объекты, основанного на избыточности информации определения координат объекта. При этом обеспечивается повышение надежности и живучести системы позиционирования при выходе из строя части дальномерных узлов.