НАВИГАЦИОННЫЙ КОМПЛЕКС, ИСПОЛЬЗУЮЩИЙ ЕСТЕСТВЕННЫЕ И ИСКУССТВЕННЫЕ ПОЛЯ ЗЕМЛИ
NAVIGATION SYSTEM USING EARTH'S NATURAL AND ARTIFICIAL FIELDS

Изобретение относится к области авиационного приборостроения, в частности к комплексам навигации летательных аппаратов (ЛА).
ис
В наиболее близком аналоге [Красовский А.А., Белоглазов И.Н., Чигин Г.П. Теория корреляционно-экстремальных навигационных систем. - М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1979 г., стр. 323] представлена блок-схема навигационного комплекса, использующего естественные поля Земли для корректировки инерциально-счисленных координат и состоящего из инерциальной системы (ИС), датчика поля (ДП), баровысотомера и бортовой цифровой вычислительной машины (БЦВМ). В качестве ДП могут выступать различные датчики естественных физических полей Земли (ФПЗ), например радиовысотомеры  для измерения рельефа земной поверхности (РЗП), магнитометры  для измерения аномалий магнитного поля Земли (МПЗ). В БЦВМ хранятся эталонные карты соответствующего ФПЗ. Принцип действия данного навигационного комплекса состоит в том, что входная информация в виде сигналов ФПЗ (D), формируемых ДП, поступает в БЦВМ, где определяется выходной сигнал коррекции путем сравнения текущего сигнала ДП с эталонной картой. Вырабатываемый в БЦВМ сигнал экстремальной коррекции используется для уточнения сигналов от ИС (х, y, Н, ϑ, γ, ψ). Сигнал от баровысотомера (Н) используется для коррекции вертикального канала ИНС.
Недостатком наиболее близкого аналога являются:
- ограничения по высокоточной навигации на участках полета над местностью с низкой информативностью ФПЗ;
- асинхронность и задержка потоков данных от ИС, ДП и баровысотомера в БЦВМ, обусловленная федеративной структурой построения навигационного комплекса, что приводит к снижению его точностных характеристик;
- большие массогабаритные и стоимостные характеристики навигационного комплекса и наличие сложной кабельной системы на борту летательного аппарата (ЛА) для организации передачи данных, что также обусловлено федеративной структурой построения комплекса.
Задачей изобретения является обеспечение высокоточной навигации не зависимо от информативности ФПЗ, а также сокращение массогабаритных характеристик навигационного комплекса.
Достигается указанный результат тем, что в навигационный комплекс, содержащий БЦВМ, с входом которой соединены выходы ИС, баровысотомера и ДП, дополнительно вводятся датчик другого ФПЗ и система навигации по искусственным полям Земли (СНИПЗ), подключенные ко входу в БЦВМ, реализующей коррекцию данных ИС путем комплексной обработки информации СНИПЗ и нескольких ФПЗ, а также меняется федеративная структура навигационного комплекса на интегрально-модульную архитектуру (ИМА), для чего ИС, баровысотомер, оба ДП, БЦВМ и СНИПЗ выполняются в виде отдельных модулей с соответствующими чувствительными элементами и устанавливаются в едином корпусе.
На фиг.1 представлена блок-схема навигационного комплекса, использующего естественные и искусственные поля Земли (НК-ЕИПЗ), содержащего: 1 - корпус НК-ЕИПЗ, 2 - модуль ИС, 3 - модуль ДП1, 4 - модуль ДП2, 5 - модуль СНИПЗ, 6 - модуль баровысотомера, 7 - модуль БЦВМ, 8 - чувствительные элементы ИС, ДП и СНИПЗ.
Для снижения массогабаритных и стоимостных характеристик при проектировании модулей и корпуса НК-ЕИПЗ целесообразно использовать международные стандарты для малогабаритных систем, например форм-фактор РС104+, описанный в [PC/104-Plus Specification Version 2.0 November 2003].
Информационный обмен данными между модулями производится по внутренней шине, что обеспечивает устранение задержек при передаче данных и их синхронность. В качестве внутренней шины можно выбрать, например, шину PCI 32-bit PC/104-Plus, описанную в [PCI Local Bus Specification Production Version Revision 2.1 June 1, 1995].
Корпус НК-ЕИПЗ 1 обеспечивает конструктивную возможность реализации принципов ИМА за счет установки в нем модулей, входящих в состав НК-ЕИПЗ. Основу корпуса составляет пространственный каркас (шасси) с боковыми стенками. Конструктивно шасси может быть выполнен как субблок (крейт) из доработанных деталей стандарта Евромеханика. К нему крепятся передняя и задняя стенки, дно и крышка, пакет модулей формата РС104+, создавая тем самым единство конструкции в целом и обеспечивая прочность и устойчивость изделия к внешним воздействующим факторам.
Модуль ИС 2 обеспечивает обработку поступающей информации от чувствительного элемента (инерциальных датчиков) о географических координатах, скоростях и угловых эволюциях летательного аппарата. Модуль ИС 2 может быть построен в соответствии с известными принципами, изложенными, например, в [Помыкаев И.И., Селезнев В.П., Дмитроченко Л.А. Навигационные приборы и системы. - М.: Машиносторение, 1983 г., стр. 226-329].
Модули ДПЗ и ДП4 обеспечивают измерение сигналов ФПЗ. Наиболее распространенными ФПЗ в системах экстремальной коррекции являются РЗП и МПЗ.
Для измерения РЗП модуль ДПЗ представляет собой модуль приемопередатчика радиовысотомера (ППР). Модуль ППР подключается через высокочастотные разъемы к своим чувствительным элементам (передающей и приемной антеннам). Модуль ППР может быть построен в соответствии с известными принципами, изложенными, например, в [Финкельштейн М.И. Основы радиолокации. - М.: Радио и связь, 1983, стр. 15-20, 108-115].
Для измерения МПЗ модуль ДП4 представляет собой модуль преобразователя сигналов магнитометра (ПСМ). Модуль ПСМ подключается через разъем к чувствительному элементу (магнитометрическому датчику). Модуль МПЗ может быть построен в соответствии с известными принципами, изложенными, например, в [Белоглазов И.Н., Джанджгава Г.И., Чигин Г.П. Основы навигации по геофизическим полям. - М.: Наука, 1985, стр. 88-99].
Благодаря принципам ИМА в НК-ЕИПЗ может быть установлено и больше двух модулей ДП, что расширяет область применения экстремальной коррекции и улучшает ее точностные характеристики.
Модуль СНИПЗ 5 обеспечивает измерение навигационных параметров на основе обработки данных об искусственных полях Земли. К подобным системам можно отнести глобальную спутниковую навигационную систему (СНС), радиотехническую систему ближней навигации и т.п. В частности, СНС обеспечивает определение текущих координат, времени и вектора скорости по сигналам спутниковых радионавигационных систем ГЛОНАСС, GPS и SBAS. Модуль СНС может быть построен на базе приемника спутниковой навигационной системы, например, МНП-7 [ПРИЕМНИК НАВИГАЦИОННЫЙ МНП-М7. РУКОВОДСТВО ПО ЭКСПЛУАТАЦИИ ЦВИЯ.468157.113 РЭ].
Модуль баровысотомера 6 обеспечивает измерение статического, динамического давления атмосферы и обработки этих сигналов для выдачи информации об абсолютной высоте полета. Модуль баровысотомера может быть построен в соответствии с известными принципами, изложенными, например, в [Помыкаев И.И., Селезнев В.П.,  Дмитроченко Л.А. Навигационные приборы и системы. - М.: Машиносторение, 1983 г., стр. 48-50].
Модуль БЦВМ 7 обеспечивает комплексную обработку поступающей информации от модулей ИС2, ДПЗ, ДП4, СНИПЗ 5, баровысотомера 6 с целью определения навигационных параметров. При этом для коррекции ошибок ИС, имеющих расходящийся характер во времени, используется несколько методов:
- экстремальная коррекция по РЗП и по МПЗ;
- коррекция по ИПЗ.
Экстремальная коррекция на основе обработки эталонной информации о РЗП и текущих данных радиовысотомера и бароинерциального фильтра обеспечивает автономное определение координат над среднепересеченным и сильнопересеченным рельефом с точностью 50-100 м (σ).
Экстремальная коррекция на основе обработки эталонной информации о МПЗ, пересчитанной на абсолютную высоту полета, и текущих данных магнитометра обеспечивает автономное определение координат над всеми видами поверхности, в том числе водной, но с худшей точностью 200-500 м (σ).
Экстремальная коррекция по ФПЗ (РЗП и МПЗ) на основе анализа поведения функционалов позволяет помимо выдачи поправок к координатам (Δφ - по широте, Δλ - по долготе) оценить их достоверность и погрешность (σ).
Коррекция по ИПЗ, в частности спутниковая коррекция, обеспечивает высокоточное определение координат от единиц метров (в дифференциальном режиме) до 30 м и не зависит от информативности ФПЗ. Однако данный вид коррекции не является автономным, а поэтому уязвим при постановке радиопомех или выведения из строя спутниковой группировки.
рзп
рзп
мпз
мпз
снс
снс
Новизна предлагаемого подхода состоит в том, что модуль БЦВМ 7 производит одновременно все виды коррекции. При наличии достоверных поправок, выработанных в ходе экстремальной коррекции по РЗП (Δφ, Δλ) и МПЗ (Δφ, Δλ), оценивается достоверность спутниковой коррекции (Δφ, Δλ) на основе следующего критерия:
если
мпз
снс
мпз
снс
или, если |Δφ-Δφ|≤δφ и |Δλ-Δλ|≤δλ,
то поправки, выдаваемые СНС, достоверны.
В выражении (1) δφ и δλ - допустимые величины в расхождении данных экстремальной коррекции по ФПЗ и спутниковой коррекции.
В случае, если проводится экстремальная коррекция по 2-м ФПЗ (РЗП и МПЗ) и коррекция по данным СНС, и все три выдаваемые поправки к координатам ИС достоверны, то итоговая линейная несмещенная оценка поправок ΔZ (Δφ или Δλ) вычисляется на основе их взвешенной суммы в соответствии со следующим выражением, выведенным авторами:
1
где D - дисперсия ошибок экстремальной коррекции по РЗП;
2
D - дисперсия ошибок экстремальной коррекции по МПЗ;
3
D - дисперсия ошибок спутниковой коррекции;
1
x - поправка по Δφ или Δλ экстремальной коррекции по РЗП;
2
x - поправка по Δφ или Δλ экстремальной коррекции по МПЗ;
3
x - поправка по Δφ или Δλ спутниковой коррекции.
При коррекции по двум достоверным поправкам выражение (2) упрощается:
Таким образом, в БЦВМ реализована коррекция данных ИС путем комплексной обработки информации ИПЗ и нескольких ФПЗ. Изложенный выше алгоритм позволяет повысить точностные характеристики навигационного комплекса, а также надежность его работы в условиях постановки радиопомех или выведения из строя спутниковой группировки.
БЦВМ может быть построена на базе процессорной платы форм-фактора РС-104+ высокой производительности, например, РСМ-3362 фирмы Advantech с интегрированным центральным процессором Atom N450 с тактовой частотой 1.6 GHz, оперативной памятью до 2 Гб, постоянной памятью 2 Гб [Процессорная плата формата PC/104-Plus с процессором Atom N450. Спецификация].
Чувствительные элементы 8 обеспечивают модули ИС2, ДП3, ДП4, СНИПЗ 5 первичной информацией.
В качестве чувствительного элемента ИС можно использовать, например, инерциальные датчики на микромеханических элементах [Власенко А. Интегральные гироскопы iMEMS - датчики угловой скорости фирмы Analog Devices Российское Представительство Analog Devices, Inc. Электронные компоненты №2 2003 г.].
В качестве чувствительного элемента ДП РЗП (радиовысотомера) можно использовать антенны, построенные по известным принципам, изложенным, например, в [Справочник по радиолокации. Редактор М. Сколник. - М.: Советское радио, 1978, стр. 96-101].
В качестве чувствительного элемента ДП МПЗ (магнитометра) можно использовать магнитометрический феррозондовый датчик, построенный по известным принципам, изложенным, например, в [Белоглазов И.Н., Джанджгава Г.И.,. Чигин Г.П. Основы навигации по геофизическим полям. - М.: Наука, 1985, стр. 88-99].
В качестве чувствительного элемента СНИПЗ, например СНС, можно использовать, например, навигационные антенны [Каталог «Навигационная аппаратура ГЛОНАСС/GPS» ОАО «Ижевский радиозавод»].