КОМПЛЕКСИРОВАННАЯ НАВИГАЦИОННАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ ПОДВИЖНЫХ НАЗЕМНЫХ ОБЪЕКТОВ

Полезная модель относится к области приборостроения и может быть использована для непрерывного определения координат подвижных наземных объектов в труднодоступных районах с пересеченным рельефом местности с экстремальными условиями передвижения, при воздействии электромагнитных полей.
Известно устройство, описанное в патенте RU 2202102, G01C 21/08, 18.12.2000 г.«Способ определения местоположения подвижных объектов и устройство для его реализации».
Известное устройство содержит датчики магнитного поля, датчики линейного ускорения, блоки преобразования и усреднения и расчета горизонтальных проекций магнитного поля Земли, датчики перемещения, блоки управления и расчета угла, блоки расчета приращения координат, блоки сумматоров и умножения, приемник спутниковой навигационной системы, пульт управления и дисплей, выходы датчиков магнитного поля и линейного ускорения соответственно соединены с блоком преобразования и усреднения, выход которого соединен с входом блока расчета горизонтальных проекций магнитного поля Земли, выход которого соединен с входом первого блока расчета приращения координат и входом блока расчета угла, выход которого соединен с входом блока управления, а его выходы соответственно соединены с блоком расчета горизонтальных проекций магнитного поля Земли и с блоками других входов преобразования и усреднения, выходы блоков сумматоров соединены с другими входами блока управления, выход датчика перемещения соединен с входом блока умножения выход которого соединен с входом блока расчета приращения координат, выход которого соединен с вторым входом блока расчета угла, выход приемника спутниковой навигационной системы соединен с входом блока расчета приращения координат, выход пульта управления соединен с входом блока управления, выход которого соединен с входом дисплея.
Устройство работает следующим образом: в режиме измерения датчики магнитного поля и датчики линейного ускорения формируют на своих выходах аналоговые сигналы, пропорциональные проекциям суммарного вектора напряженности магнитного поля и проекциям ускорения силы тяжести на оси приборной системы координат подвижного объекта (ПО). Сигналы с выходов датчиков магнитного поля и линейного ускорения поступают на вход блока преобразования и усреднения, с выхода которого усредненные значения проекции магнитного поля и ускорения силы тяжести поступают на вход блока расчета горизонтальных проекций магнитного поля Земли (МПЗ), в котором производится коррекция значений с учетом установленных коэффициентов коррекции. Сигналы с выхода датчика перемещения поступают на вход датчика умножения, с выхода которого сигнал поступает на вход блока коррекции, в котором осуществляется вычисление проекции суммарного вектора перемещения, объекта при этом в блоке умножения производится определение приращения пройденного пути. С выхода сумматора сигнал поступает на вход блока управления, осуществляющего операции интерфейсного обмена для ввода команд управления и вывода значений результирующих сигналов с синхронизацией операций, выполняемых отдельными составными частями устройства. Сигнал с выхода блока расчета угла поступает на вход блока управления, с его выхода поступает на вход блока преобразования и усреднения, и с его выхода далее поступают на вход блока расчета корректирующих коэффициентов пути и угла. С выхода блока расчета приращения координат сигнал поступает на вход блока коррекции. С выхода блока управления сигнал поступает на вход приемника спутниковой навигационной системы, с выхода которого поступают сигналы, по которым осуществляют коррекцию угла направления движения и приращения пути. Далее сигнал с выхода блока управления поступает на вход дисплея, где производится визуальное отображение текущей информации.
Недостатками известного устройства являются ошибки измерения координат и азимутального угла направления движения в условиях воздействия угловой скорости на операциях маневрирования движения, при воздействии внешних паразитных электромагнитных полей, приводящих к разориентации систем координат, что обуславливает необходимость периодической коррекции параметров навигационной системы и приводит к ошибкам измерения координат ПО в процессе движения.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство, описанное в патенте RU 2221991, G01C 21/08, 17/38, 20.01.2004 г.«Способ определения местоположения подвижных наземных объектов и устройство для его реализации».
Укрупненная функциональная схема устройства - прототипа приведена на фиг.1, где приняты следующие обозначения:
1 - блок датчиков магнитного поля Земли (МПЗ);
2 - блок датчиков вертикали (линейного ускорения);
6 - датчик перемещения;
25 - блок преобразования и усреднения;
4 - блок расчета горизонтальных проекций МПЗ;
26 - первый блок расчета коэффициентов коррекции магнитного поля;
23 - блок коррекции магнитного поля;
27 - навигационный блок;
28 - блок управления;
29 - пульт управления;
30 - блок индикации;
31 - блок расчета продольного ускорения;
22 - блок коррекции ускорения;
32 - блок контрольных значений горизонтальных проекций МПЗ;
33 - второй блок расчета коэффициентов коррекции магнитного поля.
Устройство-прототип содержит следующие блоки и связи: выходы блока датчиков магнитного поля 1 и блока датчиков вертикали 2 соединены, соответственно, с первым и вторым входами блока преобразования и усреднения 25, третий вход которого соединен с первым выходом блока управления 28, второй выход которого соединен с первым входом первого блока расчета коэффициентов коррекции магнитного поля 26, второй вход которого соединен с первым выходом блока расчета горизонтальных проекций магнитного поля 4, а выход первого блока расчета коэффициентов коррекции магнитного поля 26 соединен с первым входом блока коррекции магнитного поля 23, выход датчика перемещения 6 соединен с первым входом навигационного блока 27, второй вход которого соединен с третьим выходом блока управления 28, выход навигационного блока 27 соединен с первым входом блока управления 28, выход пульта управления 29 соединен со вторым входом блока управления 28, четвертый выход которого соединен с входом блока индикации 30, датчики вертикали 2 выполнены в виде датчиков линейного ускорения, выход блока коррекции ускорения 22 соединен с первым входом блока расчета горизонтальных проекций магнитного поля 4, первый вход блока коррекции ускорения 22 соединен с выходом блока расчета продольного ускорения 31, а второй вход блока коррекции ускорения 22 соединен с первым выходом блока преобразования и усреднения 25, второй выход которого соединен со вторыми входом блока коррекции магнитного поля 23, выход которого соединен со вторым входом блока расчета горизонтальных проекций магнитного поля 4, второй выход которого соединен с третьим входам навигационного блока 27 и первым входом блока контрольных значений горизонтальных проекций МПЗ 32, выход которого соединен с первым входом второго блока расчета коэффициентов коррекции магнитного поля 33, выход которого соединен с третьим входом первого блока расчета коэффициентов коррекции магнитного поля 26, выход которого соединен со вторым входом второго блока расчета коэффициентов коррекции магнитного поля 33, выход датчика перемещения 6 соединен с входом блока расчета продольного ускорения 31 и вторым входом блока контрольных значений горизонтальных проекций МПЗ 32.
Устройство-прототип работает следующим образом.
0
0
х
x
y
В исходной точке маршрута оператор с пульта управления 29 вводит в блок управления 28 исходные данные: координаты начальной точки X,Y и значение магнитного склонения (поправки направления Δα) для данной местности, которые поступают на второй вход навигационного блока 27. В режиме измерения блоки 1 и 2 формируют на своих выходах аналоговые сигналы, пропорциональные значениям проекций Н, Ну магнитного поля и проекций A, A ускорения силы тяжести на оси приборной системы координат. Аналоговые сигналы датчиков поступают на первый и второй входы блока преобразования и усреднения 25, который обеспечивает их преобразование в цифровой код и усреднение в каждом рабочем цикле. Длительность периода усреднения определяется блоком управления 28 по информации, поступающей с его первого выхода на третий вход блока преобразования и усреднения 25.
Х
у
Х
у
Х
y
Х
y
Х
у
Х
y
ХВ
YВ
Усредненные значения Н, Н поступают на блок коррекции магнитного поля 23, в котором проводится коррекция значений Н, Н с учетом коэффициентов коррекции, полученных в калибровочном цикле. Скорректированные значения Н, Н поступают на второй вход блока расчета горизонтальных проекций магнитного поля 4, на первый вход которого с первого выхода блока преобразования и усреднения 25 через блок коррекции ускорения 22 поступают значения проекций A, A. По скорректированным значениям Н, Н и значениям A, A блок расчета горизонтальных проекций магнитного поля 4 проводит расчет горизонтальных проекций МПЗ Н Н, которые поступают на третий вход навигационного блока 27.
Навигационный блок 27 в каждом рабочем цикле проводит расчет приращений координат и координат объекта. При этом используется информация о приращениях пройденного пути, поступающая с датчика перемещения 6 на первый вход навигационного блока 27, а также значение поправки направления и координаты исходной точки, которые вводятся оператором с помощью пульта управления 29 и блока управления 28 перед началом измерений. Расчет магнитного азимута направления движения проводится навигационным блоком 27.
ХВ
YВ
Х
Y
Х
У
ХВ
YВ
Х
Y
Х
У
Перед началом измерения координат, проводят калибровочный цикл, в котором определяют значения горизонтальных проекций суммарного вектора Н, Н напряженности МПЗ и магнитного поля объекта. Со второго выхода блока управления 28 на первый вход первого блока расчета коэффициентов коррекции магнитного поля 26 поступает команда, в соответствии с которой измеренные значения Н, Н с второго выхода блока преобразования и усреднения 25 поступают без изменения через блок коррекции магнитного поля 23 на второй вход блока расчета горизонтальных проекций магнитного поля 4, на первый вход которого поступают измеренные значения проекций A, A. Блок расчета горизонтальных проекций проводит определение проекций Н, Н, и пересылает их в первый блок расчета коэффициентов коррекции магнитного поля 26. После завершения измерений проводят расчет коэффициентов коррекции (годографа горизонтальной составляющей) магнитного поля - смещение центра эллипса δН,δН, и полуоси эллипса а и b. Коэффициенты коррекции хранятся в первом блоке расчета коэффициентов коррекции магнитного поля 26 и используются рабочем цикле для коррекции измеряемых значений Н, Н.
у
В процессе движения блок расчета продольного ускорения 31 по информации, поступающей с датчика перемещения 6, определяет изменение приращения пути и определяет ускорение объекта в направлении движения Это значение поступает на первые входы блока коррекции ускорения 22 и используется для уточнения значения проекции А, измеряемой датчиками линейного ускорения.
Х
У
По измеренным таким образом значениям проекций Н, Н блок контрольных значений горизонтальных проекций МПЗ 32 проводит определение усредненных значений горизонтальной составляющей МПЗ и угла направления движения, значения которых пересылаются во второй блок расчета коэффициентов коррекции магнитного поля 33, на второй вход которого с первого блока расчета коэффициентов коррекции магнитного поля 26 поступают значения коэффициентов коррекции и значения горизонтальной составляющей МПЗ, полученные в калибровочном цикле.
Х
Y
Скорректированные значения поступают на первый блок расчета коэффициентов коррекции магнитного поля 26 и используются в рабочем цикле для коррекции измеряемых значений Н, Н.
Недостатком устройства-прототипа является наличие значительных ошибок при измерении координат подвижного наземного объекта (ПНО) в условиях маневрирования и при воздействии на него угловой скорости в процессе движения в горизонтальной и вертикальной плоскостях, приводящей к ошибкам определения азимута и координат объекта. В труднодоступных районах с пересеченным рельефом местности, а так же при воздействии электромагнитных помех возникают ошибки вычислительного алгоритма навигационной системы, обусловленные инициируемыми погрешностями измерений датчиков магнитного поля и линейного ускорения, вследствие локального перемагничивания ПНО и изменение гравитационной составляющей в процессе движения. Изменение направления движения при разгоне, торможении, пробуксовки колес на поворотах приводит к среднеквадратичным ошибкам в процессе определения азимута, величины перемещения и координат ПНО. Временные и пространственные вариации МПЗ, влияние магнитных полей соседних объектов, атмосферные и продуцируемые электромагнитные помехи так же приводят к погрешности определения координат ПНО и азимутального угла направления движения. При этом возникающая систематическая ошибка увеличивается на каждом рабочем цикле измерения.
В заявляемой полезной модели решается задача создания комплексированной навигационной системы для определения координат подвижных наземных объектов с коррекцией внешних воздействующих факторов - побочных магнитных и гравитационных полей, а также технологических допусков конструкции системы.
Достигаемый технический результат, который может быть получен при использовании изобретения, заключается в повышении точности и достоверности определения координат и азимутального угла направления движения подвижного наземного объекта в экстремальных условиях передвижения и воздействия электромагнитных помех.
Для решения поставленной задачи в известную навигационную систему, содержащую блок датчиков магнитного поля, блок датчиков линейного ускорения, датчик перемещения, блок расчета горизонтальных проекций магнитного поля Земли (МПЗ), блок коррекции величины ускорения подвижного объекта (ПО) и блок коррекции величины магнитного поля, выход которого соединен со вторым входом блока расчета горизонтальных проекций МПЗ, согласно полезной модели, введены блок коррекции показаний датчиков магнитного поля и линейного ускорения, блок синхронизации, блок расчета угла направления движения ПО, блок расчета приращения координат за единицу приращения величины перемещения, блок интерфейса информационного обмена, блок анализа фазовых интервалов и фронтов, блок фильтрации, блок компенсации конструктивных и технологических допусков устройств, регистр хранения коэффициентов лабораторной настройки, регистр хранения исходных значений координат, блок расчета коэффициентов коррекции побочных магнитных полей, блок расчета корректирующих коэффициентов величины перемещения и угловой ориентации, два блока суммирования, интегратор, блок умножителя, блок коррекции относительного смещения координат и приемник спутниковой навигационной системы (LHL), при этом, выходы блоков датчиков магнитного поля и датчиков линейного ускорения соединены соответственно с первым и вторым входами блока коррекции показаний датчиков магнитного поля и линейного ускорения, выход которого через блок фильтрации соединен с первым входом блока компенсации конструктивных и технологических допусков устройств, первый выход которого соединен с первым входом блока коррекции величины ускорения ПО, второй выход-с первым входом блока коррекции величины магнитного поля, а второй вход - со вторым выходом регистра хранения коэффициентов лабораторной настройки, первый выход которого соединен с третьим входом блока коррекции показаний датчиков магнитного поля и линейного ускорения, выход датчика перемещения соединен с первым входом блока анализа фазовых интервалов и фронтов, выход которого соединен со вторым входом блока коррекции величины ускорения ПО, выход которого соединен с первым входом блока расчета горизонтальных проекций МПЗ и вторым входом блока расчета угла направления движения ПО, третий вход которого соединен со вторым выходом блока расчета корректирующих коэффициентов величины перемещения и угловой ориентации, а также с первым входом блока расчета коэффициентов коррекции побочных магнитных полей, выход которого соединен со вторым входом блока коррекции величины магнитного поля; первый выход блока синхронизации соединен со вторым входом блока анализа фазовых интервалов и фронтов, второй выход - с третьим входом блока анализа фазовых интервалов и фронтов и вторым входом блока расчета приращения координат за единицу приращения величины перемещения, а третий выход блока синхронизации соединен с третьим входом блока расчета горизонтальных проекций МПЗ, выход которого соединен с третьим входом блока интерфейсного обмена, вторым входом блока расчета коэффициентов коррекции побочных магнитных полей и первым входом блока расчета угла направления движения ПО, выход которого соединен с первым входом блока расчета приращения координат за единицу приращения величины перемещения и четвертым входом блока интерфейса информационного обмена, первый выход которого через регистр хранения исходных значений координат соединен с четвертым входом блока расчета корректирующих коэффициентов величины перемещения и угловой ориентации, третьим входом блока коррекции относительного смещения координат и вторым входом первого блока суммирования, выход которого соединен со вторым входом блока интерфейса информационного обмена, второй выход которого соединен со вторым входом блока расчета корректирующих коэффициентов величины перемещения и угловой ориентации, первый выход которого соединен со вторым входом блока умножителя, первый вход которого соединен с выходом блока анализа фазовых интервалов и фронтов, а выход -соединен с третьим входом блока расчета приращения координат за единицу приращения величины перемещения, выход которого соединен с первым входом второго блока суммирования, выход которого соединен с входом первого блока суммирования и первым входом блока коррекции относительного смещения координат, выход которого соединен со вторым входом блока суммирования, а второй вход - с первым входом блока интерфейса информационного обмена, выходом приемника СНС и третьим входом блока расчета корректирующих коэффициентов величины перемещения и угловой ориентации; третий выход блока интерфейса информационного обмена соединен с входом регистра хранения коэффициентов лабораторной настройки и третьим входом блока расчета коэффициентов коррекции побочных магнитных полей; кроме того, выход блока расчета приращения координат за единицу приращения величины перемещения через интегратор соединен с первым входом блока расчета корректирующих коэффициентов величины перемещения и угловой ориентации.
Функциональная схема заявляемого устройства представлена на фиг.2, где введены следующие обозначения:
1 - блок датчиков магнитного поля;
2 - блок датчиков линейного ускорения;
3 - блок коррекции показаний датчиков магнитного поля и линейного ускорения;
4 - блок расчета горизонтальных проекций МПЗ;
5 - блок синхронизации;
6 - датчик перемещения;
7 - блок расчета угла направления движения ПО;
8 - блок расчета приращения координат за единицу приращения величины перемещения;
9 - первый блок суммирования;
10 - интегратор;
11 - блок коррекции относительного смещения координат;
12 - блок расчета корректирующих коэффициентов величины перемещения и угловой ориентации;
13 - блок умножителя;
14 - второй блок суммирования;
15 - приемник спутниковой навигационной системы (СНС);
16 - блок интерфейса информационного обмена;
17 - блок анализа фазовых интервалов и фронтов;
18 - блок фильтрации;
19 - блок компенсации погрешности при конструктивных и технологических допусках изготовления устройств;
20 - регистр хранения коэффициентов лабораторной настройки;
21 - регистр хранения исходных значений координат;
22 - блок коррекции величины ускорения ПО;
23 - блок коррекции величины магнитного поля;
24 - блок расчета коэффициентов коррекции побочных магнитных полей.
Комплексированная навигационная система для определения координат подвижных наземных объектов содержит блок датчиков магнитного поля 1, блок датчиков линейного ускорения 2, блок коррекции показаний датчиков магнитного поля и линейного ускорения 3, блок расчета горизонтальных проекций МПЗ 4, блок синхронизации 5, датчик перемещения 6, блок расчета угла направления движения ПО 7, блок расчета приращения координат за единицу приращения величины перемещения 8, первый 9 и второй 14 блоки суммирования, интегратор 10, блок коррекции относительного смещения координат 11, блок расчета корректирующих коэффициентов величины перемещения и угловой ориентации 12, блок умножителя 13, приемник СНС 15, блок интерфейса информационного обмена 16, блок анализа фазовых интервалов и фронтов 17, блок фильтрации 18, блок компенсации погрешности при конструктивных и технологических допусках изготовления устройств 19, регистр хранения коэффициентов лабораторной настройки 20, регистр хранения исходных значений координат 21, блок коррекции величины ускорения ПО 22, блок расчета коэффициентов коррекции побочных магнитных полей 24 и блок коррекции величины магнитного поля 23, выход которого соединен со вторым входом блока расчета горизонтальных проекций МПЗ 4. При этом, выходы блоков датчиков магнитного поля 1 и датчиков линейного ускорения 2 соединены соответственно с первым и вторым входами блока коррекции показаний датчиков магнитного поля и линейного ускорения 3, выход которого через блок фильтрации 18 соединен с первым входом блока компенсации погрешности при конструктивных и технологических допусках изготовления устройств 19, первый выход которого соединен с первым входом блока коррекции величины ускорения ПО 22, второй выход - с первым входом блока коррекции величины магнитного поля 23, а второй вход - со вторым выходом регистра хранения коэффициентов лабораторной настройки 20, первый выход которого соединен с третьим входом блока коррекции показаний датчиков магнитного поля и линейного ускорения 3, выход датчика перемещения 6 соединен с первым входом блока анализа фазовых интервалов и фронтов 17, выход которого соединен со вторым входом блока коррекции величины ускорения ПО 22, выход которого соединен с первым входом блока расчета горизонтальных проекций МПЗ 4 и вторым входом блока расчета угла направления движения ПО 7, третий вход которого соединен со вторым выходом блока расчета корректирующих коэффициентов величины перемещения и угловой ориентации 12, а также с первым входом блока расчета коэффициентов коррекции побочных магнитных полей 24, выход которого соединен со вторым входом блока коррекции величины МПЗ 23; первый выход блока синхронизации 5 соединен со вторым входом блока анализа фазовых интервалов и фронтов 17, второй выход - с третьим входом блока анализа фазовых интервалов и фронтов 17 и вторым входом блока расчета приращения координат за единицу приращения величины перемещения 8, а третий выход блока синхронизации 5 соединен с третьим входом блока расчета горизонтальных проекций МПЗ 4, выход которого соединен с третьим входом блока интерфейса информационного обмена обмена 16, вторым входом блока расчета коэффициентов коррекции побочных магнитных полей 24 и первым входом блока расчета угла направления движения ПО 7, выход которого соединен с первым входом блока расчета приращения координат за единицу приращения величины перемещения 8 и четвертым входом блока интерфейса информационного обмена 16, первый выход которого через регистр хранения исходных значений координат 21 соединен с четвертым входом блока расчета корректирующих коэффициентов величины перемещения и угловой ориентации 12, третьим входом блока коррекции относительного смещения координат 11 и вторым входом первого блока суммирования 9, выход которого соединен со вторым входом блока интерфейса информационного обмена 16, второй выход которого соединен со вторым входом блока расчета корректирующих коэффициентов величины перемещения и угловой ориентации 12, первый выход которого соединен со вторым входом блока умножителя 13, первый вход которого соединен с выходом блока анализа фазовых интервалов и фронтов 17, а выход - соединен с третьим входом блока расчета приращения координат за единицу приращения величины перемещения 8, выход которого соединен с первым входом второго блока суммирования 14, выход которого соединен с входом первого блока суммирования 9 и первым входом блока коррекции относительного смещения координат 11, выход которого соединен со вторым входом второго блока суммирования 14, а второй вход - с первым входом блока интерфейса информационного обмена 16, выходом приемника СНС 15 и третьим входом блока расчета корректирующих коэффициентов величины перемещения и угловой ориентации 12; третий выход блока интерфейса информационного обмена 16 соединен с входом регистра хранения коэффициентов лабораторной настройки 20 и третьим входом блока расчета коэффициентов коррекции побочных магнитных полей 24, кроме того, выход блока расчета приращения координат за единицу приращения величины перемещения 8 через интегратор 10 соединен с первым входом блока расчета корректирующих коэффициентов величины перемещения и угловой ориентации 12.
х
у
х
у
х
у
Заявляемая навигационная система работает следующим образом. В производственно - лабораторных условиях, при помощи трехкоординатного поворотного стенда происходит настройка датчиков МПЗ по взаимно-ортогональным координатным осям Н, Н блока 1, и датчиков линейного ускорения по взаимно-ортогональным координатным A, A блока 2, причем блоки 1 и 2 размещены в едином конструктивном корпусе. Настройка датчиков производится посредствам подбора цифровых коэффициентов таким образом, чтобы в приборной системе координат, которая совмещена с основанием крепления корпуса блока датчиков, при любой угловой ориентации, значение проекции действующего вектора магнитного поля НЬ на оси приборной системы координат (Н, Н), образовало магнитный годограф, который имеет форму идеального круга с центром в точке начала координат и определенное фиксированное значение величины проекции магнитного поля (Нb0), значение которого хранится в блоке 24.
При проведении операции лабораторной настройки значения проекций МПЗ с выхода блока 4 поступают на третий вход блока 16, и затем передаются на ЭВМ для проведения анализа и расчетов корректирующих коэффициентов; далее по интерфейсу информационного обмена массив коэффициентов лабораторной настройки поступает обратно от ЭВМ на блок 16, и с третьего выхода блока 16 подаются на вход блока 20, где в дальнейшем сохраняются в его энергонезависимой памяти.
х
у
x
y
В рабочем цикле измерений блоки 1 и 2 непрерывно формируют на своих выходах аналоговые сигналы: измерения проекции МПЗ по ортогональным осям Н, Н приборной системы координат и измерения проекции действующего ускорения на оси A, A приборной системы координат.
Аналоговые сигналы с блоков 1 и 2, пропорциональные действующим значениям МПЗ и линейного ускорения, поступают соответственно на первый и второй входы блока 3, где происходит преобразование аналоговых сигналов в цифровую форму, коррекция показаний с установкой нулевых значений, масштабирования в соответствии с величиной Нb0, и выравнивание показаний по координатным осям приборной системы координат. При этом, коэффициенты коррекции и настройки поступают с первого выхода блока 20 на третий вход блока 3.
Х
Y
Х
Y
Обозначим показания феррозондов (датчики блока 1) и акселерометров (датчики блока 2) соответственно ,  и , . Проекции Н, Н вектора магнитного поля Н и проекции А, А вектора ускорения А на оси приборной системы координат вычисляются из показаний значений магнитного поля и линейного ускорения в блоке 3 следующим образом:
HN
HP
где Mk, Mk - масштабные коэффициенты усиления измеренных значений величины магнитного поля в проекции на оси (х и у) приборной системы координат для обеспечения выравнивания и приведения осей магнитного годографа к единому определенному цифровому значению;
Lk, Lk - коэффициенты установки порога цифрового нуля по положительному (прямому) и отрицательному (противоположному) каналу измерений для обеспечения симметрии измеренных значений величины магнитного поля относительно осей приборной системы координат;
AN
AP
Mk, Mk - масштабные коэффициенты усиления измеренных значений величины действующего ускорения в проекции на оси приборной системы координат для обеспечения выравнивания и приведения осей к единому определенному цифровому значению;
AN
AP
Lk, Lk - коэффициенты установки порога цифрового нуля по положительному (прямому) и отрицательному (противоположному) каналу измерений для обеспечения симметрии измеренных значений величины действующего ускорения относительно осей приборной системы координат. Указанные в расшифровке коэффициенты определяются в производственных лабораторных условиях при отсутствии паразитных магнитных полей.
х
у
x
y
Далее откорректированные значения с выхода блока 3 поступают на вход блока 18, где происходит фильтрация сигнала на основе частотного интегрирования показаний (в зависимости от частоты появления измеренного значения сигнала, накапливается сумма количества появившихся измерений, и по максимальному значению суммы выбирается соответствующее значение, которое подается на выход блока фильтрации 18). Такой метод фильтрации позволяет оперативно получать достоверные значения выходных величин Н, Н, A, A при любых быстроизменяющихся показаниях с блоков 1 и 2 при воздействии разнонаправленных угловых скоростей, в отличие от методов среднеарифметического вычисления, где проявляется инерционность показаний.
Далее с выхода блока 18 фильтрованные показания датчиков поступают на вход блока 19, в котором по значениям корректирующих коэффициентов, поступающих на второй вход блока 19 со второго выхода блока 20, производится математическая коррекция, в результате которой фильтрованные показания датчиков принимают значения, в которых учтены погрешности, вносимые элементной базой и особенностями их конструктивного устройства.
Коррекция значений проекций МПЗ и ускорения в блоке 19 проводится в соответствии с формулами (3), (4)
где Кхх, Kxy, Kyy, Kyx - коэффициенты, учитывающие величины погрешностей, вносимые разориентацией ортогональных измерительных осей датчиков магнитного поля в плоскости приборной системы координат;
Ках, Кау, Day, Dax - коэффициенты, учитывающие величины погрешностей, вносимые разориентацией ортогональных измерительных осей датчиков линейного ускорения в плоскости приборной системы координат; а также учитывающие величину смещения нуля в горизонтальной плоскости.
В процессе измерения магнитного поля, измеряемое значение представляет собой сумму величины МПЗ, действующего в пункте измерения и величины магнитного поля, излучаемого объектами, имеющими ферромагнитные свойства. Для определения действующего значения МПЗ в пункте измерения, в системе применены блоки 23, 4, 24, работа которых организована следующим образом: фильтрованные и откорректированные сигналы Нх, Ну со второго выхода блока 19 поступают на первый вход блока 23, в котором происходит коррекция измеренного значения величин Нх и Ну в соответствии с коэффициентами, поступающими на второй вход блока 23 с выхода блока 24. Затем скорректированные значения величин Нх, Ну поступают с выхода блока 23 на второй вход блока 4 для проведения расчета горизонтальных проекций МПЗ. Результаты расчета горизонтальных проекций МПЗ далее поступают с выхода блока 4 одновременно на три блока: на третий вход блока 16, в котором информация о проекциях передается пользователю, на второй вход блока 24, где происходит расчет величины проекции вектора магнитного поля Нb и формирование корректирующих коэффициентов, устраняющих влияние побочных магнитных полей, и на первый вход блока 7, в котором осуществляется расчет дирекционных углов ориентации блока датчиков: азимутальный угол и углы наклонов (продольный, поперечный).
Рассчитанные значения дирекционного угла направления и углов наклона (продольный, поперечный), с выхода блока 7 поступают на первый вход блока 8, в котором производится расчет смещения координат за последний временной интервал измерения, а так же поступают на четвертый вход блока 16 для передачи информационных параметров пользователю.
В блоке 24 по значениям горизонтальных проекций величин Нх, Ну происходит расчет действующего вектора магнитного поля Нb, и дальнейший его анализ, в сравнении со значением вектора магнитного поля (Нb0), определенным в условиях производственно-лабораторной настройки и хранимым в качестве постоянной величины в энергонезависимой памяти блока 24. По абсолютной величине значений проекций Нх, Ну, из таблицы коэффициентов выбираются значения, которые с выхода блока 24 поступают на второй вход блока 23, в котором по этим коэффициентам корректируют показания величин Нх и Ну, которые определяются в следующем рабочем цикле измерений.
По величине отклонения значения Нb от Нb0, а также по величине изменения значений проекций Нх и Ну относительно значений, полученных в предыдущем рабочем цикле измерений, и кроме того по величине изменений поправки угла направления, поступающей со второго выхода блока 12 на первый вход блока 24, производится оценка значений поправочных коэффициентов, хранящихся в таблице блока 24. По значению величин Нх и Ну, происходит определение знака коррекции и коррекция коэффициентов, хранящихся в таблице на шаг с минимальной определенной дискретностью с учетом определенного знака, а также по значению величины изменения поправки угла направления происходит определение знака коррекции и коррекция величины, учитывающей коэффициент масштабирования значений по осям проекции приборной системы координат.
В результате воздействия обратной связи по двум параметрам: значению Нb и значению изменения поправки величины угла направления при движении - в системе происходит анализ и проводится коррекция измеряемых величин в автоматизированном режиме на каждом рабочем цикле измерений, причем корректирующие коэффициенты представляют собой набор табличных величин, значения которых разделены на дискретные диапазоны с привязкой к дирекционному углу направления, с дискретностью 10 градусов, при которой проявляется влияние побочных магнитных полей на общий фон МПЗ при наличии многополюсных источников помех.
В блоке 22 происходит преобразование значений ускорений Ax, Ay, поступающих с первого выхода блока 19 на первый вход блока 22, с коррекцией измеренных значений линейного ускорения с учетом изменения значений величины перемещения, пройденного объектом, и поступающих с выхода блока 6 на первый вход блока 17 за определенный интервал временного наблюдения за сигналом, значение которого поступает на второй вход блока 22 с выхода блока 17. То есть, при наличии ускорений, возникающих при перемещении объекта, которые определяются по изменению его скорости, производится анализ значений фиксированных ускорений, получаемых в устройстве по измеренным значениям датчиков блока 2, и по результату анализа определяются корректирующие значения, которые компенсируют показания ускорений, связанные с маневрами объекта при совершении разгонов, торможений, поворотов. Компенсированные значения ускорений определяются в соответствии с формулой (5), и с выхода блока 22 поступают одновременно на первый вход блока 4 и на второй вход блока 7.
где Ау' - измеренные значения действующего ускорения после фильтрации и коррекции;
i
i-1
v - v - изменение скорости за промежуток времени, в котором проводится измерение ускорения;
Δt - временной интервал измерения скорости движения объекта.
С математической обработкой, проводимой в блоке 4, осуществляется компенсация величин Нх, Ну, поступающих на второй вход блока 4 с выхода блока 23, с учетом компенсированных показаний Ax, Ay, сигнал которых поступает на первый вход блока 4 с выхода блока 22, в результате которой при любых наклонах блоков 1 и 2, форма магнитного годографа остается неизменной (сохраняется идеальный круг радиуса Нb0, с центром в начале координат).
Проекции вектора МПЗ на оси приборной системы координат Ну, Нх с учетом компенсации наклонов блоков 1 и 2, в продольном и поперечном направлении определяются в блоке 4 из выражения (6), (7)
2
где А - постоянная величина, соответствующая величине ускорения силы тяжести, равная 9,81 м/с ,
;
Нz - величина вертикальной составляющей проекции вектора магнитного поля на оси приборной системы координат, определяемая в соответствии с выражением .
Величина полного вектора МПЗ (Я) определяется как константа при проведении лабораторной настройки в отсутствии паразитных магнитных полей и хранится в памяти блока 24, при перемещении объекта по различным географическим зонам в зависимости от широты местоположения происходит автоматическая коррекция значения (Н) в зависимости от значений корректирующих коэффициентов, вырабатываемых в блоке 24.
В блоке 7 при расчете азимутального угла используются проекции МПЗ Нх и Ну, которые поступают на первый вход блока 7 с выхода блока 4, проекции действующего ускорения Ах и Ау, которые поступает на второй вход блока 7 с выхода блока 22, поправка угла направления, которая поступает на третий вход блока 7 со второго выхода блока 12.
Действующее значение азимутального угла направления относительно направления линий МПЗ определяется в блоке 7, как
где sgn(Нx) - знак измеряемого значения вектора Нх, при положительном значении выражение принимает значение “1”, при отрицательном значении выражение принимает значение “-1”;
Нх - проекция действующего вектора МПЗ на ось Х приборной системы координат;
Ну - проекция действующего вектора МПЗ на ось Y приборной системы координат;
Hb - проекция действующего вектора магнитного поля на приборную систему координат, определяется из выражения
Углы наклонов приборной системы координат в продольном и поперечном направлении определяются в блоке 7 по соответствующим формулам (10):
где Ax - значение линейного ускорения в проекции на ось Х приборной системы координат;
Ау - значение линейного ускорения в проекции на ось Y приборной системы координат;
Az - значение линейного ускорения в проекции на ось Z приборной системы координат, которое рассчитывается по выражению:
2
где А - постоянная величина соответствующая величине ускорения силы тяжести, равная 9,81 м/с;
Ax, Ay - величины проекции ускорения силы тяжести соответственно в поперечном и продольном направлениях движения объекта.
Синхронизацией рабочих циклов измерений управляет блок 5, с третьего выхода которого синхронизирующий сигнал начала отсчета горизонтальной проекции МПЗ (период 1/16 сек.) поступает на третий вход блока 4; в то же время, с первого выхода блока 5 на второй вход блока 17 поступает высокочастотный сигнал (с периодом 20 мкс), по которому происходит анализ длительности фазовых интервалов сигнала, поступающего от блока 6, а со второго выхода блока 5 сигнал управления (с периодом 1 сек.) поступает одновременно третий вход блока 17, по которому происходит фиксация интервала пройденного расстояния за последний временной интервал наблюдения, и второй вход блока 8, по которому запускается процедура расчета смещения координат за последний временной интервал измерения.
С выхода блока 17 измерительный сигнал поступает на первый вход блока 13, в котором формируется значение величины перемещения с учетом измеренного значения перемещения и корректирующего коэффициента, в котором совокупно учтены передаточные коэффициенты связи колесной оси и вала привода спидометра, состояние ходовой части и длина окружности колеса. При этом, по сигналу начала нового временного интервала 1 секунда, который поступает со второго выхода блока 5 на второй вход блока 8, производится съем информации о пройденном пути за предыдущий временной интервал, приходящий с выхода блока 13 на третий вход блока 8, и с учетом полученных данных об ориентации объекта (азимут, углы наклона) производится расчет проекции смещения в плоскости осей X, Y географических координат за предыдущий интервал измерения.
Рассчитанные значения приращения координат с выхода блока 8 одновременно поступают на первый вход блока 14 и вход блока 10. Блоки 10 и 14 осуществляют вычисление проекций суммарного вектора перемещения объекта относительно координат исходного пункта по значениям измерений перемещений подвижного объекта в автономном режиме (по показаниям датчика перемещения 6 и блока расчета угла направления движения ПО 7), причем хранимое в блоке 14 значение суммарного вектора может корректироваться для уточнения координат местоположения.
По значениям накопленной величины суммарного вектора перемещения объекта относительно координат исходной пункта, рассчитанной по значениям автономного режима, которые поступают на первый вход блока 12 с выхода блока 10, и по значениям координат, подаваемым от приемника СНС 15 на третий вход блока 12, в блоке 12 производится расчет вектора, образованного направлением перемещения объекта, вычисленным по показаниям спутниковых координат относительно координат исходного пункта, значение которого поступает на четвертый вход блока 12 с выхода блока 21, и по анализу величины векторов и их взаимной ориентации рассчитывается коэффициент коррекции величины пройденного пути и коэффициент поправки угла направления таким образом, чтобы абсолютная величина векторов совпадала, и направление вектора автономной системы было приведено к направлению вектора перемещения, вычисленному по показаниям приемника СНС.
По имеющимся значениям дирекционного угла направления перемещения, углам ориентации транспортного средства относительно уровня горизонта, величины пройденного расстояния за время измерения определятся координаты текущего местоположения ПО:
где GXA, GYA - географические координаты текущего положения ПО по оси Х и оси Y соответственно, на плоскости географической системы координат, определенные по рассчитанным параметрам при работе системы в автономном режиме.
GXO, GYO - географические координаты исходного положения ПО, откуда начался отсчет перемещения;
GXS, GYS - величина проекций вектора суммарного перемещения объекта относительно пункта установки исходных значений координат на оси X, Y в плоскости географической системы координат (спутниковая система).
где KN - коэффициент, учитывающий направление перемещения при движении: «вперед» - коэффициент “1”, «назад» - коэффициент “-1”;
S - величина перемещения объекта при движении за интервал времени измерения;
A1 - дирекционный угол направления на географический Север;
Gnp - угол ориентации продольной оси транспортного средства относительно уровня горизонта.
Lm - коэффициент, учитывающий переход от линейного измерения перемещения к градусному. Lm - линейная величина, соответствующая 1° меридиана, которая может принимать значения в диапазоне от (111120 -111212) м в зависимости от применяемой модели Земного эллипсоида;
cos(φ) - косинус угла сближения меридианов.
При длительном движении объекта в отсутствии коррекции от спутниковых координат в значении автономных координат будет накапливаться ошибка, связанная с неточным определением углов направления и величины перемещения, в функции блока 12 входит задача сравнения координат системы и спутниковых координат, определения значений корректирующих коэффициентов перемещения и угла направления, значения которых поступают на третий вход блока 12, и происходит коррекция измеряемых параметров, вследствие чего отклонение системных координат от значений спутниковых координат будет минимально, а в идеальном случае равно нулю.
Поправка направления представляет собой величину, в которой интегрировано учтено значение магнитного склонения, технологические погрешности блока 1, возникающие в результате возникновения угловой погрешности между направлением оси Ну датчика и продольной осью транспортного средства, причем указанные две составляющих поправки образуют постоянную составляющую угла, которая незначительно меняется за счет изменения угла магнитного склонения при перемещении по различным географическим зонам. Также существует третья составляющая, которая изменяет величину поправки направления, она образуется при неточном определении дирекционных углов направления вследствие искажений магнитного поля Земли за счет влияния побочных магнитных полей, эта составляющая при различных угловых ориентациях имеет различные значения, для уменьшения этой величины в блоке 24 вырабатываются корректирующие коэффициенты, компенсирующие возникающие погрешности.
Значение суммарного вектора перемещения, накопленного в блоке 14, с его выхода поступает на первый вход блока 11, в котором по этому значению и по значению исходных координат, поступающих на третий вход блока 11 с выхода блока 21, вычисляются координаты автономной системы, и по значениям этих координат, а также по значению координат спутниковой навигационной системы, поступающих на второй вход блока 11 с выхода блока 15, вычисляется ошибка отклонения векторов, и при достижении этого отклонения до определенной величины, производится коррекция суммарного вектора перемещения, причем вычисление ошибки происходит в тот момент, когда блок 15 выдает достоверные значения координат (точность значений не хуже 30 метров).
Стоит отметить, что накопление суммарного значения величины проекций вектора перемещения в блоках 10 и 14 начинает проводиться от момента установки координат исходной точки, и каждый раз по установке координат исходной точки суммарное значение вектора перемещения обнуляется.
С выхода блока 11 значение коррекции поступает на второй вход блока 14, в результате чего в блоке 14 изменяется значение накопленной величины суммарного вектора перемещения, и как результат, уменьшается ошибка величины отклонения векторов, образованных показаниями автономной и спутниковой системами относительно координат исходной точки.
Сигнал откорректированного значения суммарного перемещения с выхода блока 14 поступает на первый вход блока 9, в котором производится расчет координат текущего местоположения подвижного объекта с учетом координат исходного пункта, поступающих с выхода блока 21 на второй вход блока 9. Сигналы координат местоположения ПО, полученных в блоке 9, с его выхода поступают на второй вход блока 16 для отправки пользователю.
Исходные значения коэффициентов пути и угла, подаваемые оператором на управляющие входы блока 16, далее подаются со второго выхода блока 16 на второй вход блока 12, где заносятся в энергонезависимую память блока 12, и также используются в расчетах, причем каждый раз, по выключению электропитания устройства, происходит запоминание обновленных коэффициентов.
Цифровой коэффициент, который приводит в соответствие величину перемещения, пройденного объектом, и количество импульсов, поступающих от блока 6 за единицу пройденного расстояния, поступает на второй вход блока 13 с первого выхода блока 12, и определяется в соответствии с формулой (16):
где Ks - коэффициент, корректирующий ошибку перемещения (определенного по показаниям автономной системы, относительно расстояния вычисленного по показаниям спутниковой системы);
Ks' - коэффициент коррекции ошибки перемещения, действующий до момента наступления повторной коррекции, исходное значение "1";
LSs - величина вектора перемещения объекта, вычисленная по текущим показаниям координат спутниковой системы относительно координат пункта начала отсчета движения, определяется по формуле (17);
LSa - величина вектора перемещения объекта, вычисленная по текущим показаниям координат автономной системы, относительно координат точки начала отсчета движения, определяется по формуле (18).
где XS, YS - географические координаты текущего местоположения объекта, определенные по показаниям спутниковой навигационной системы.
На первый вход блока 16 с выхода блока 15 поступают значения координат от приемника СНС для передачи пользователю с целью его информированности о местоположении объекта.
С первого выхода блока 16 цифровое значение координат исходной точки поступает на вход блока 21, которое запоминается в энергонезависимой памяти блока 21, и каждый раз, по включению питания происходит восстановление их значений, до тех пор, пока оператор не установит их новые значения.
Предлагаемое устройство предназначено для использования в составе подвижных наземных объектов, оснащенных как электронными, так и механическими типами спидометров. Устройство работает, основываясь на показаниях датчиков магнитного поля Земли, датчиков ускорения и перемещения независимо от наличия сигнала от приемника СНС, навигационная система используется для оценки погрешности и коррекции параметров движения.
В предлагаемом устройстве все указанные блоки, за исключением блоков 1, 2, 6, 15, осуществляют математические преобразования, и поэтому их можно реализовать на основе микроконтроллеров или цифровых сигнальных процессоров, в частности макетный образец, на котором реализовано предлагаемое устройство, построен с применением микросхемы DSPIC33FJ128GP708 фирмы MicroChip (128 Кбайт память программ, 16 Кбайт память ОЗУ, встроенные контроллер АЦП 12 бит, два контроллера интерфейсов RS-232, интерфейс SPI, тактовая частота до 40 МГц, девять встроенных таймеров), также возможно применение сигнальных процессоров фирм Texas Instruments или Analog Devices, но в случае применения сигнальных процессоров, необходимо применение внешнего АЦП с разрядностью не менее 12 бит.
В качестве особенности работы блока 3 следует отметить, что необходимо задействовать пять каналов АЦП или применить микросхему мультиплексирования каналов (например, отечественного производства К561КП2).
Техническая реализация блока 1 возможна с применением магниточуствительных датчиков на основе феррозондов, или магниторезисторов в интегральном исполнении (например, НМС1002 фирмы Honeywell) с разрешением 27 µagauss, диапазон измерений ±6 gauss, чувствительностью 0,2 mV/gauss.
Техническая реализация блока 2 возможна с применением акселерометров фирмы STMicroelectonics (LIS3L06AL) или фирмы Analog Devices (ADXL325) с разрешением 0,5 mG, диапазон измерений ±2G, чувствительностью 0,6 V/G.
Датчик перемещения 6 может быть реализован с применением трех датчиков Холла и четырех разнополюсных магнитов, закрепленных на оси, вала спидометра транспортного средства. Таким образом, образуется трехканальный датчик, у которого на один оборот колеса генерируется шесть импульсов состояния фазы угла поворота, что является достаточным для определения пройденного расстояния и скорости движения при перемещении на скорости выше 5 км/ч. При использовании электронного спидометра точность счисления пути будет ограничена значением расстояния пройденного колесом транспортного средства за один полный оборот.
Приемник СНС 15 может быть реализован на основе отечественного приемника 14Ц825, который выпускается фирмой ФГУП НИИ КП. Он работает с возможностью приема 30 каналов в системе ГЛОНАСС/GPS и имеет цифровой интерфейс информационного обмена RS-232 с реализацией многофункционального протокола информационного обмена.
В результате использования заявляемой системы в макетном варианте были получены измерения дирекционных углов и углов наклона с дискретностью 0,1 град., с точностью определения углов не более 0,5 град., ошибка определения координат перемещения не более 1%.
Таким образом, применение полезной модели позволяет обеспечить точность определения координат местоположения подвижного объекта не хуже 1% от величины пройденного пути и точности определения дирекционного угла направления на географический север не хуже 0,5 градуса.