СИСТЕМА НАВИГАЦИИ

Полезная модель относится к системам авиационного приборостроения и может быть использована в составе бортового оборудования беспилотных летательных аппаратов (БЛА) или других подвижных объектов.
Известна система навигации (патент РФ №2168703, МПК G01C 21/00, G01C 21/02, G01C 23/00, дата публ. 10.06.2001), содержащая спутниковый датчик скорости и последовательно соединенные инерциальный датчик скорости и курса, блок алгебраического суммирования, первый блок корректирующих фильтров, выход которого подключен ко второму входу блока алгебраического суммирования, на третий вход которого подключен выход спутникового датчика скорости, включенные между вторым выходом и четвертым входом блока алгебраического суммирования и последовательно соединенные блок формирования сигнала переключения, блок отключения, второй блок корректирующих фильтров, включенные между вторым выходом блока алгебраического суммирования и входом инерциального датчика скорости и курса и последовательно соединенные первый блок моделирующих фильтров и блок формирования погрешности по курсу, на второй вход которого подключен третий выход блока алгебраического суммирования, четвертый выход которого подключен к второму входу блока отключения, третий вход которого подключен к пятому выходу блока алгебраического суммирования, а также второй блок моделирующих фильтров, включенные между вторым выходом блока отключения и третьим входом блока погрешности по курсу, объединенным с пятым входом блока алгебраического суммирования.
Недостатками известной системы навигации являются низкая точность измерений системы, а также низкая электромагнитная совместимость, невозможность адаптивного управления приемниками ГНСС (выбор спутников, обеспечивающих оптимальное навигационное решение, переход с GPS на ГЛОНАСС или совместное решение в полете).
Известна система автоматического управления беспилотным летательным аппаратом (патент РФ на полезную модель №137814, МПК G05D 1/00, дата публ. 27.02.2014), взятая в качестве прототипа, содержащая датчики угловой скорости (ДУС) по осям X, Y, Z, акселерометры по осям X, Y, Z, магнитометр по осям X, Y, Z, датчик абсолютного давления, датчик дифференциального давления, подключенный к аналого-цифровому преобразователю (АЦП), приемник глобальной навигационной спутниковой системы, интерфейсный модуль, вычислитель системы автоматического управления (САУ), подключенный к источнику питания вычислителя САУ, при этом вычислитель САУ включает блок термокомпенсации кодов ДУС, акселерометров и магнитометра, первый выход блока термокомпенсации подключен к входу блоку вычисления вертикали, блок хранения полетного задания, вход-выход которого соединен с интерфейсным модулем, блок навигации и управления полетом, первый вход которого подключен к выходу блока хранения полетного задания, второй вход подключен к первому выходу блока вычисления вертикали, третий вход - к выходу АЦП, выход блока навигации и управления полетом соединен с входом блока формирования управляющих сигналов, выход которого подключен к исполнительным механизмам, управляемыми сигналами ШИМ, источник опорного напряжения, два выхода которого подключены к входам питания датчиков абсолютного давления и дифференциального давления соответственно, аналоговый вычислитель, первый вход которого подключен к выходу источника опорного напряжения, второй вход подключен к выходу датчика абсолютного давления, модуль датчиков тока и напряжения, подключенный к четвертому входу блока навигации и управления полетом, съемная энергонезависимая память, вычислитель, контролирующий для восстановления работы вычислителя САУ в случае сбоя, включающий блок анализа работы вычислителя САУ, вход которого соединен с цифровой шиной выходов датчиков ДУС по осям X, Y, Z и акселерометров по осям X, Y, Z, блок восстановления работы вычислителя САУ и блок управления питанием вычислителя САУ, входы которых подключены к выходу блока анализа работы вычислителя САУ, выход блока управления питанием вычислителя САУ подключен к управляющему входу источника питания вычислителя САУ, выход блока восстановления работы вычислителя САУ подключен к пятому входу блока навигации и управления полетом, при этом вычислитель САУ дополнительно снабжен блоком управления приемником ГНСС, вход-выход которого подключен к приемнику ГНСС, а выход - к шестому входу блока навигации и управления полетом, блоком управления аналоговым вычислителем, вход которого соединен с выходом аналогового вычислителя, первый и второй выходы блока управления аналоговым вычислителем подключены соответственно к седьмому входу блока навигации и управления полетом и к третьему входу аналогового вычислителя, блоком «черного ящика», четыре входа которого подключены соответственно к выходу модуля датчиков тока и напряжения, выходу блока термокомпенсации кодов датчиков, второму выходу блока вычисления вертикали, второму выходу блока навигации и управления полетом, выход блока «черного ящика» подключен к входу съемной энергонезависимой памяти, при этом вход-выход блока формирования управляющих импульсов подключен к исполнительным механизмам управляемыми потенциальными сигналами.
Недостатками известной системы являются низкая надежности работы устройства, низкая точность определения координат положения БЛА в пространстве, низкая точность определения высоты БЛА, низкая надежность по электромагнитной совместимости по причине гальванической связи вычислителя с электрооборудованием БЛА.
Задача полезной модели - создание системы навигации беспилотного летательного аппарата, обеспечивающей повышение точности определения навигационных координат, повышение эксплуатационной надежности.
Технический результат, получаемый при решении поставленной задачи, - повышение точности определения навигационных параметров координат положения БЛА в пространстве, повышение надежности работы устройства.
Указанный технический результат достигается тем, что в систему навигации, содержащую магнитометр по осям X, Y, Z, датчик абсолютного давления, аналоговый вычислитель, источник опорного напряжения, три выхода которого подключены к входу магнитометра, к входу питания датчика абсолютного давления и первому входу аналогового вычислителя соответственно, второй вход аналогового вычислителя соединен с выходом датчика абсолютного давления, приемник глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС), вычислитель системы автоматического управления, подключенный к источнику питания, при этом вычислитель включает блок термокомпенсации кодов датчиков, вход которого соединен с выходом магнитометра, а выход блока термокомпенсации кодов датчиков подключен к первому входу блока вычисления вертикали, блок управления аналоговым вычислителем, вход которого соединен с выходом аналогового вычислителя, второй выход блока управления аналоговым вычислителем соединен с третьим входом аналогового вычислителя, блок адаптивного управления приемником ГНСС, вход которого соединен с приемником ГНСС, согласно полезной модели введены датчики температуры и датчики влажности, модуль развязки гальванической, а вычислитель снабжен блоком вычисления высоты по абсолютному давлению, температуре и влажности, блоком вычисления совмещенного решения координат и блоком связи, при этом выходы датчиков температуры и датчиков влажности подключены к второму и третьему входам блока вычисления высоты по абсолютному давлению, температуре и влажности, первый вход которого подключен к первому выходу блока управления аналоговым вычислителем, а выход блока вычисления высоты по абсолютному давлению, температуре и влажности подключен к второму входу блока вычисления совмещенного решения координат, первый и третий входы которого соединены с выходом блока вычисления вертикали и выходом блока адаптивного управления приемником ГНСС соответственно, при этом выход блока вычисления совмещенного решения координат соединен с входом блока связи, первый выход которого подключен к второму входу блока вычисления вертикали, а второй выход блока связи соединен с входом модуля развязки гальванической, выход которого подключен к системе автоматического управления БЛА.
Введение в устройство навигации датчиков температуры и датчиков влажности, модуля развязки гальванической и снабжение вычислителя блоком вычисления высоты по абсолютному давлению, температуре и влажности, а также блоком вычисления совмещенного решения координат и блоком связи, которые взаимосвязаны между собой, позволяют в совокупности с известными признаками решения достичь указанный технический результат решения - повышение точности определения навигационных параметров координат положения БЛА в пространстве, повышение надежности работы устройства.
Заявленная система навигации позволяет с высокой точностью определять углы тангажа, крена, курса, высоту, географические координаты БЛА. Система навигации обеспечивает надежное определение навигационного решения при высоких электромагнитных помехах и в обстановке подавления сигналов ГНСС.
Сравнение заявленного решения с прототипом и другими техническими решениями в данной области техники показывает, что изложенная совокупность признаков не известна из существующего уровня техники, на основании чего можно сделать вывод о его соответствии критерию полезной модели «новизна».
Соответствие заявленной полезной модели критерию «промышленная применимость» показано на примере конкретного выполнения системы навигации.
На фигуре изображена блок-схема системы навигации.
1 - Магнитометр по осям X, Y, Z
2 - Источник опорного напряжения
3 - Датчик абсолютного давления
4 - Аналоговый вычислитель
5 - Датчики температуры
6 - Датчики влажности
7 - Приемники ГНСС адаптивно управляемые
8 - Блок термокомпенсации кодов датчиков
9 - Блок управления аналоговым вычислителем
10 - Блок вычисления высоты по абсолютному давлению, температуре и влажности
11 - Блок адаптивного управления приемниками ГНСС
12 - Гальванически развязанный источник питания
13 - Блок вычисления вертикали
14 - Блок вычисления совмещенного решения координат
15 - Блок связи
16 - Модуль развязки гальванической
Описание работы устройства системы навигации. Магнитометр 1 по осям X, Y, Z измеряет напряженность магнитного поля Земли в проекции на оси связанной системы координат. Магнитометр 1 оснащен встроенным датчиком температуры и имеет цифровой выход, что позволяет непосредственно подключить его по шине к вычислителю. Коды с магнитометра 1 по осям X, Y, Z поступают на вход блока 8 термокомпенсации кодов датчиков, где происходит коррекция значения кода в зависимости от текущей температуры.
Вычислитель выполнен в виде программных блоков 8, 9, 10, 11, 13, 14, 15. Скорректированные коды датчиков магнитометра 1 поступают в блок 13 вычисления вертикали. Источник 2 опорного напряжения питает магнитометр 1, датчик 3 абсолютного давления. Датчик 3 абсолютного давления имеет аналоговый выход. Выходной сигнал с датчика 3 абсолютного давления, определяющий высоту полета, поступает на второй вход аналогового вычислителя 4. Аналоговый вычислитель 4 проводит математическую обработку аналогового сигнала с датчика 3 абсолютного давления, а именно компенсирует ошибку, вызванную нестабильностью источника 2 опорного напряжения, питающего датчик 3 абсолютного давления, интегрирует сигнал с заданной постоянной времени, устраняя шум, формирует выходной аналоговый сигнал с заданным коэффициентом усиления, в зависимости от диапазона, заданного блоком 9 управления аналоговым вычислителем. Блок 9 управления аналоговым вычислителем формирует код, соответствующий абсолютному давлению, и передает его в блок 10 вычисления высоты по абсолютному давлению, температуре и влажности. Датчики 5 температуры измеряют температуру за бортом БЛА и передают коды, соответствующие температуре, в блок 10 вычисления высоты по абсолютному давлению, температуре и влажности. Датчики 6 влажности измеряют влажность за бортом БЛА и передают коды, соответствующие влажности, в блок 10 вычисления высоты по абсолютному давлению, температуре и влажности. Блок 10 вычисления высоты по абсолютному давлению, температуре и влажности по формуле Лапласа вычисляет высоту БЛА и передает данные на блок 14 вычисления совмещенного решения координат. С приемников ГНСС 7, адаптивно управляемых, значения координат, высоты, направления, скорости движения БЛА и дополнительная информация поступают на блок 11 адаптивного управления приемниками ГНСС. Блок 11 адаптивного управления ГНСС переключает режим работы GPS, совмещенный GPS/ГЛОНАСС или ГЛОНАСС, меняет настройки навигационных приемников и передает данные на блок 14 вычисления совмещенного решения координат. Через модуль 16 развязки гальванической, через блок связи 15 данные по угловой скорости и ускорению по осям X Y Z поступают в блок 13 вычисления вертикали. Блок 13 вычисления вертикали, применяя алгоритм совместного решения по методу Эйлера-Крылова и с применением кватернионов, рассчитывает углы тангажа, крена, курса (углы Эйлера) и передает данные на блок 14 вычисления совмещенного решения координат. Блок 14 вычисления совмещенного решения координат на основании поступивших данных, в зависимости от достоверности, вычисляет навигационное решение и передает вычисленное решение на блок 15 связи. Блок 14 вычисления совмещенного решения так же рассчитывает положение БЛА при исчезновении навигационного решения с приемников ГНСС. Гальванически развязанный источник питания 12 и модуль 16 развязки гальванической защищают систему навигации от электромагнитных помех по цепям питания и управления и обеспечивают высокую электромагнитную совместимость.
Таким образом, предлагаемая система навигации позволяет, применяя блок связи и блок вычисления совмещенного решения координат, обеспечить повышение надежности работы магнитометра и приемников ГНСС. Что повышает надежность определения навигационных координат. Питание магнитометра X Y Z от источника опорного напряжения снижает шум кодов датчиков магнитометра. Что повышает точность вычисления углов положения БЛА в пространстве. Применяя датчики температуры, датчики давления и блок вычисления высоты по абсолютному давлению, температуре и влажности, повышается точность определения значения высоты. Наличие адаптивно управляемых приемников ГНСС позволяет управлять ими с помощью блока адаптивного управления приемниками ГНСС, обеспечивая повышение надежности определения навигационного решения. Модуль развязки гальванической и гальванически развязанный источник питания позволяют обеспечить высокую электромагнитную совместимость, защищают систему от сбоев, что повышает эксплуатационную надежность работы устройства в целом.
Заявленное техническое решение «Система навигации» – это устройство, выполненное в виде единой конструкции – модуля с выходным разъемом, подключаемым к внешним устройствам, например к автопилоту БЛА. Все элементы заявленного решения находятся в конструктивном единстве, установлены на печатных платах с помощью пайки, сборка представлена в виде единого модуля, устанавливаемого, например, в консоли крыла.