СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОРИЕНТАЦИИ ОТНОСИТЕЛЬНО ПЛОСКОСТИ ГОРИЗОНТА
METHOD FOR DETERMINING ORIENTATION RELATIVE TO THE HORIZON PLANE

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано при создании навигационных систем и систем начальной ориентации навигационно-измерительных комплексов.
Известны способы определения ориентации относительно плоскости горизонта, основанные на управлении приведением вращающегося основания с расположенными на нем акселерометрами, оси чувствительности которых сориентированы по осям тангажа и крена, в плоскость горизонта по выходным сигналам этих акселерометров [Назаров Б.И. и др. Командно-измерительные приборы / М.: МО СССР, 1987 г., 640 с]. Недостатками их являются сложность управления разворотом основания и низкая точность, обусловленная отсутствием возможности компенсации различных помех измерения акселерометров.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ с использованием двух ортогонально расположенных в плоскости вращающегося основания акселерометров, оси чувствительности которых сориентированы по осям тангажа и крена, состоящий в вычислении углов тангажа и крена непосредственно по выходным сигналам этих акселерометров [В.В. Матвеев, В.Я. Распопов. Основы построения бесплатформенных инерциальных навигационных систем / СПб.: ГНЦ РФ ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2009. 280 с.: стр. 162]. Недостатком данного способа является низкая точность, обусловленная невозможностью компенсации как постоянных, случайных в запуске, так и нестационарных случайных помех, присутствующих в выходном сигнале акселерометра.
Заявленное изобретение направлено на решение задачи повышения точности определения ориентации относительно плоскости горизонта с использованием широкого класса акселерометров.
Поставленная задача возникает при разработке навигационных систем и систем начальной ориентации навигационно-измерительных комплексов.
Для обеспечения высокой точности определения ориентации относительно плоскости горизонта предлагается способ, заключающийся в том, что на первом этапе осуществляется последовательный дискретный поворот по углу тангажа вращающегося основания, в плоскости которого размещены ортогонально друг другу два акселерометра, оси чувствительности которых сориентированы по осям тангажа и крена (далее -акселерометры тангажа и крена, соответственно), на заданный угол (n-1) раз, в каждом очередном положении оси чувствительности акселерометра крена осуществляется низкочастотная фильтрация его выходного сигнала в течение фиксированного интервала времени, после чего осуществляется попарное вычитание выходных сигналов, полученных в соседних угловых положениях оси чувствительности акселерометра крена, и прекращение поворота определяется или достижением заданного значения величины n, или изменением знака разности сигналов, полученных в соседних угловых положениях оси чувствительности акселерометра крена; при этом до начала процесса изменения ориентации вращающегося основания рассчитываются точные разности значений проекций ускорения силы тяжести на ось чувствительности акселерометра крена для всех возможных соседних значений углов тангажа в заданном интервале их изменения, из массива которых методом перебора осуществляется выбор (n-1) последовательных значений точных разностей проекций ускорения силы тяжести, максимально совпадающих по заданному критерию совпадения с рядом соответствующих (n-1) значений разностей выходных сигналов, полученных в соседних угловых положениях оси чувствительности акселерометра крена, после чего определяется угол тангажа относительно плоскости горизонта, соответствующий n-му точному значению проекции ускорения силы тяжести на ось чувствительности акселерометра крена, который с высокой точностью является углом тангажа n-го положения вращающегося основания относительно плоскости горизонта; на втором этапе осуществляется последовательный дискретный поворот вращающегося основания по углу крена на заданный угол (n-1) раз, в каждом очередном положении оси чувствительности акселерометра тангажа осуществляется низкочастотная фильтрация его выходного сигнала в течение фиксированного интервала времени, после чего осуществляется попарное вычитание выходных сигналов, полученных в соседних угловых положениях оси чувствительности акселерометра тангажа, и прекращение поворота определяется или достижением заданного значения величины n, или изменением знака разности выходных сигналов, полученных в соседних угловых положениях оси чувствительности акселерометра тангажа; при этом до начала процесса изменения ориентации вращающегося основания рассчитываются точные разности значений проекций ускорения силы тяжести на ось чувствительности акселерометра тангажа для всех возможных соседних значений углов крена в заданном интервале их изменения при равном нулю угле тангажа, которые по окончании первого этапа масштабируются умножением на косинус угла тангажа n-го положения вращающегося основания относительно плоскости горизонта, после чего из полученного массива значений методом перебора осуществляется выбор (n-1) последовательных значений точных разностей проекций ускорения силы тяжести, максимально совпадающих по заданному критерию совпадения с рядом соответствующих (n-1) значений разностей выходных сигналов, полученных в соседних угловых положениях оси чувствительности акселерометра тангажа, после чего определяется угол крена относительно плоскости горизонта, соответствующий n-му точному значению проекции ускорения силы тяжести на ось чувствительности акселерометра тангажа, который с высокой точностью является углом крена n-го положения вращающегося основания относительно плоскости горизонта.
Существо способа состоит в следующем.
Выходной сигнал Z широкого класса современных акселерометров (маятниковых, оптических, на основе MEMS-технологий и др.) может быть представлен в следующем виде:
где k - масштабный коэффициент измерения,
А - проекция измеряемого ускорения на ось чувствительности акселерометра;
S=const - постоянная помеха, случайная в запуске,
W - широкополосная случайная помеха.
С целью реализации высокоточного определения ориентации вращающегося основания (например, гироплатформы) в условиях помех измерения акселерометров в плоскости данного основания по осям тангажа и крена размещаются ортогонально друг другу два акселерометра, сигналы измерения которых описываются выражением (1). При отклонении вращающегося основания (ВО) от плоскости горизонта на углы тангажа ϑ и крена ϕ сигналы измерения акселерометров имеют вид [В.В. Матвеев, В.Я. Распопов. Основы построения бесплатформенных инерциальных навигационных систем / СПб.: ГНЦ РФ ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2009. 280 с.: стр. 161, рис. 3.21]:
ϑ
ϕ
где Z, Z - выходные сигналы измерения акселерометров, оси чувствительности которых сориентированы по осям тангажа и крена, соответственно,
g - ускорение силы тяжести,
ϑ
ϕ
S, S - постоянные случайные помехи акселерометров, оси чувствительности которых сориентированы по осям тангажа и крена, соответственно,
ϑ
ϕ
W,W - широкополосные случайные помехи акселерометров, оси чувствительности которых сориентированы по осям тангажа и крена, соответственно.
ϑ
ϕ
ϕ
ϕ
ϕi
Т.к. в исходном положении углы разворота ВО относительно плоскости горизонта по тангажу ϑ и крену ϕ неизвестны, то для выставки ВО относительно плоскости горизонта с высокой точностью на первом этапе осуществляется последовательный дискретный разворот ВО по углу тангажа на заданный угол Δ (n-1) раз и, соответственно, разворот акселерометра, ось чувствительности которого сориентирована по оси крена (далее - акселерометр A). В каждом очередном i-м (i=1, 2, …, n) положении оси чувствительности акселерометра А осуществляется низкочастотная фильтрация его выходного сигнала (например, с использованием фильтра Баттерворта высокого порядка) в течение фиксированного интервала времени, зависящего от частоты съема измерений акселерометра. По окончании процесса фильтрации выходной сигнал акселерометра A в i-м положении Z становится равным:
i
ϕ
ϕi
ϕ
ϑ
где ϑ - неизвестный угол тангажа оси чувствительности акселерометра A в i-м положении. Далее осуществляется попарное вычитание сигналов Z, полученных в соседних угловых положениях оси чувствительности акселерометра A (углы разворота по тангажу которых отличаются на Δ):
i
Прекращение поворота определяется или достижением заданного значения величины n, или изменением знака разности δ.
n
n
Эталонный массив точных значений  рассчитывается до начала процесса выставки ВО относительно плоскости горизонта для всех возможных значений углов ϑ в заданном интервале их изменения с требуемой точностью (максимальные значения границ интервала здесь будут равны  - при этом, например, при расчете углов ϑ с шагом дискретизации 10 угл. сек максимальный размер массива вычисленных значений разности косинусов составит всего 32400 значений, что для современных вычислителей трудности не представляет).
i
i
1
После формирования (n-2) значений δ на основании проведенных измерений осуществляется методом перебора выбор ряда (n-2) последовательных значении  из эталонного массива точных значении, максимально совпадающих с рядом (n-2) значений δ. Сравнение производится на основе заданных критериев совпадения, например,  где α, α- заданные величины;  и др.
n
n-1
ϑ,
ϕ
ϕ
ϑ
ϑ
ϑ
ϑi
После формирования ряда эталонных (n-2) последовательных точных значений  определяется соответствующий значению  угол δ=δ+Δ который с высокой точностью и будет углом тангажа n-го положения оси чувствительности акселерометра А и, соответственно, ВО. На втором этапе осуществляется последовательный дискретный разворот ВО по углу крена на заданный угол Δ (n-1) раз и, соответственно, разворот акселерометра, ось чувствительности которого сориентирована по оси тангажа (далее - акселерометр А). В каждом очередном i-м (i=1, 2, …, n) положении оси чувствительности акселерометра А осуществляется низкочастотная фильтрация его выходного сигнала в течение фиксированного интервала времени, зависящего от частоты съема измерений данного акселерометра. По окончании процесса фильтрации выходной сигнал акселерометра А в i-м положении Z становится равным
i
ϑ
где ϕ - неизвестный угол крена оси чувствительности акселерометра А в i-м положении.
ϑ
ϕ
Далее осуществляется попарное вычитание сигналов , полученных в соседних угловых положениях оси чувствительности акселерометра А (углы разворота по крену которых отличаются на Δ):
i
Прекращение поворота определяется или достижением заданного значения величины n, или изменением знака разности σ.
Эталонный массив точных значений  рассчитывается следующим образом:
n
ϕ
ϑ
n
- аналогично расчетам для углов тангажа до начала процесса выставки ВО относительно плоскости горизонта для всех возможных значений углов крена ϕ в заданном интервале их изменения рассчитываются значения  При этом в случае выбора Δ=Δ расчеты не производятся - используется массив полученных ранее значений  - массив полученных значений  масштабируется умножением на cosϑ:
i
i
1
n
n-1
ϕ
ϑ
После формирования (n-2) значений σ на основании проведенных измерений методом перебора осуществляется выбор ряда (n-2) последовательных значений  из эталонного массива точных значений, максимально совпадающих с рядом (n-2) значений σ.. Сравнение производится на основе заданных критериев совпадения, например,  где α, α- заданные величины;  и др. После формирования ряда эталонных (n-2) последовательных точных значений  определяется соответствующий значению  угол ϕ=ϕ+Δ, который с высокой точностью и будет углом крена n-го положения оси чувствительности акселерометра А и, соответственно, ВО.
Таким образом, реализация предложенного способа позволяет в процессе начальной ориентации ВО исключить помехи измерения, характерные для широкого класса акселерометров, и тем самым существенно повысить точность процесса определения ориентации ВО относительно плоскости горизонта.