СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОДНОГО ДИРЕКЦИОННОГО УГЛА И ДВУХ УГЛОВ МЕСТА
METHOD OF AIRCRAFT COORDINATES DETERMINING BASED ON USING TWO DIRECTIONAL ANGLES AND ONE ELEVATION ANGLES

Изобретение относится к области обнаружения и определения координат летательных аппаратов и может быть использовано в военной технике.
Известны различные способы определения координат объектов с использованием способов передачи и приема радиосигналов наземных радиомаяков (патент РФ №2436232) и способ триангуляции целей (патент РФ №2423720) [1, 2]. Недостатками данных способов является сложность обработки информации от пунктов обнаружения объектов, использование только активного радиолокационного диапазона электромагнитных волн.
БЛА
БЛА
БЛА
Способ автоматизированного определения координат беспилотных летательных аппаратов (патент РФ №2523446 - прототип) [3], заключается в с применением камер кругового обзора, видеомонитора, ориентированного в пространстве, ЭВМ и лазерного дальномера для подсветки летательного аппарата, отличающийся тем, что камеры кругового обзора размещены симметрично и направлены в разные стороны, так чтобы вести наблюдение на 360° в оптическом диапазоне электромагнитных волн днем и ночью, и появление летательного аппарата фиксируется автоматически как помеха, возникающая на кадре видеопоследовательности относительно предыдущего, а полученные данные обрабатываются на ЭВМ, где вырабатываются угловые значения местонахождения летательного аппарата по высоте по горизонту относительно центра углоизмерительного устройства, которое с помощью поворотных механизмов направляет лазерный дальномер на летательный аппарат для измерения дальности до него, затем измеренная дальность от летательного аппарата поступает на устройство обработки и отображения информации (ЭВМ), где происходит автоматизирование определение пространственных координат X, Y, Z летательного аппарата.
Основными недостатками являются демаскирующая составляющая данного способа, связанная с использования лазерного излучения, что снижает эффективность использования приведенного способа по обнаружению и определению пространственных координат летательных аппаратов в скрытом режиме работы, а также большие ошибки поворотных механизмов в процессе наведения лазерного дальномера и обработки полученной информации.
Как общий недостаток данных способов определения координат летательных аппаратов - не полное использование данных измерений и как следствие - не максимальная точность.
Задачей, стоящей перед настоящим изобретением, является повышение точности определения координат летательных аппаратов и уменьшения времени на обработку полученной информации в пассивном и активном режимах работы.
Поставленная задача решается следующим образом.
В настоящее время пеленгационный метод определения координат объектов широко распространен в практике оптических и радиолокационных внешнетраекторных измерений. Он основан на измерении угловых координат объекта в горизонтальной (азимут или дирекционный угол) и вертикальной (угол места) плоскостях (фиг. 1). В этом случае достаточно двух измерительных пунктов (ИП), чтобы однозначно определить пространственные координаты летательного аппарата.
1
1
2
2
В результате измерений с двух ИП определяются величины дирекционных углов и углов места (α; ε) и (α; ε), по которым пересчитываются координаты объекта в прямоугольной геодезической системе координат.
где Б - база, т.е. расстояние между ИП;
Х
А - азимут (дирекционный угол) с одного ИП на другой.
Дальнейшие обязательно синхронные измерения этих углов позволяет вычислять координаты объекта, относящиеся к последующим моментам времени.
1
2
1
Но уже в этом случае обращает на себя внимание тот факт, что в совокупности измеряемых параметров, которые составляет четверка чисел, содержится определенная избыточность данных, так как минимальная информация, необходимая для определения положения центра масс объекта (летательного аппарата) в любой СК, должна содержать три независимых измерения. Также об этом говорит то, что число степеней свободы материальной точки равно трем. Это обстоятельство подтверждается и видом указанных выше зависимостей, которые в качестве аргументов содержат лишь три величины (А, А, ε). Обычно четвертый параметр либо совсем отбрасывается, либо в лучшем случае используется для контроля. Однако и в том и другом случае информация теряется.
i
i
i
Из теории известно, что пара чисел (α; ε) геометрически однозначно определяет прямую в пространстве. При наличии двух измерительных пунктов таких прямых можно построить две. Данные прямые пересекаются в точке, где в момент засечки находится объект. Однако при наличии ошибок измерений прямые ИП-О в общем случае не пересекутся в одной точке, а будут являться скрещивающимися. Истинное положение объекта будет определяться некоторой областью пространства, которая будет тем больше, чем ниже точность измерений величин (A, ε). Повышения достоверности результатов можно добиться, увеличивая число ИП, но в этом случае использовать классические зависимости (1) не представляется возможным. Таким образом, необходимо искать иные пути обработки результатов ВТИ.
Минимальная информация, необходимая для определения положения центра масс объекта (летательного аппарата) в любой СК, должна содержать три независимых измерения.
3
4
В дальнейшем задача сводится к пересчету тройки исходных величин сферической СК в тройку искомых величин прямоугольной СК. Число возможных сочетаний троек чисел из четырех равно C=4. Здесь возможны два принципиально разных геометрических подхода к решению задачи определения объекта.
1
1
2
1
2
2
1
1
1
2
2
В качестве исходной информации служат величины (α; ε; ε) или (ε; α; ε). Первые две из них (α; ε) также определяют линию, проходящую через ИП в направлении на объект. Геометрическим местом точек, для которых величина ε=const, есть прямой круглый конус с вертикальной осью симметрии и вершиной в ИП. Положение объекта в данном случае будет определяться точкой пересечения прямой и конуса (фиг. 2).
Плоскость и прямой круглый конус в пространстве могут располагаться одним из следующих образов (примем во внимание одну из двух частей конуса).
1. Прямая проходит через вершину конуса и совпадает с его образующей. В этом случае общих точек у этих объектов будет бесконечное множество.
2. Прямая проходит через вершину конуса и не совпадает с его образующей. В этом случае прямая и конус имеют одну общую точку - вершину.
3. Прямая параллельна образующей конуса, лежит вне его и не проходит через вершину. В этом случае общих точек у этих объектов нет.
4. Прямая параллельна образующей конуса, лежит внутри его и не проходит через вершину. В этом случае прямая и конус имеют одну общую точку.
5. Прямая не параллельна образующей конуса его и не проходит через вершину. В этом случае прямая и конус имеют либо две общие точки, либо таких точек нет.
Чаще всего на практике реализуется пятый случай. В том случае, когда точек пересечения две, необходимо вводить дополнительные условия выбора одной из них. В качестве такого может быть использовано условие близости к истинному решению, определенному хотя бы приближенно. В рассматриваемом случае в качестве истинного значения целесообразно использовать решение, полученное первым методом.
После получения четырех положений объекта за окончательное можно принять средневзвешенное значение, где в качестве веса целесообразно принять величины, обратные квадратам срединных ошибок измерений данных величин. Расчет их «вручную» невозможен, поэтому в первом приближении можно ограничиться среднеарифметическим из четырех значений.
2
2
2
2
Уравнение прямого круглого конуса с вертикальной осью симметрии, проходящей через ИП (x; h; y), имеет вид
,
где а - радиус сечения конуса на высоте с от вершины.
2
2
Из фиг. 2 следует, что tg ε=с/а, тогда с=а tg ε. С учетом этого уравнение конуса перепишем в виде:
.
или
.
Уравнение прямой будет иметь вид
Подставляя величины х, h, y из параметрического уравнения прямой
1
1
1
1
1
1
1
1
x=x+kcosεcosα; h=h+ksinε; y=y+kcosεsinα
в уравнение конуса, получим
Раскладывая по степеням k, получим
или упрощая
;
;
.
Таким образом, получили квадратное уравнение относительно параметра k, решение которого имеет вид:
2
1,2
Д=b-4ас; k=(-b±√Д)/2а.
1
4
Величина b четная, поэтому решение можно найти через /Д.
2
1
1
2
4
Д/4=(b/2)-ас; k,=[-(b/2)±√(/Д)]/а.
Определяют положение объекта в ГСК
Г
1
1
1
Г
1
1
1
Г
1
1
1
x=x+kcosεcosα; y=y+ksinεcosα; y=y+kcosεsinα.
Таким образом, способ определения пространственных координат летательных аппаратов на основе использования одного дирекционного угла и двух углов места, позволяющий определить положение летательного аппарата, в данном случае будет определяться точкой пересечения прямой и конуса, что уменьшает время обработки полученной информации от датчиков работающих в оптическом и радиолокационном диапазонах электромагнитных волн.
Источники информации
1. Панов В.П., Приходько В.В. Способ передачи и приема радиосигналов наземных радиомаяков. - ФИПС. Патент на изобретение №2436232, 10.12.2011 г.
2. Безяев B.C. Способ триангуляции целей. - ФИПС. Патент на изобретение №2423720, 10.07.2011 г.
3. Шишков С.В. Способ автоматизированного определения координат беспилотных летательных аппаратов. - ФИПС. Патент на изобретение №2523446, 26.05.2014 г.