RU2036432C1 - Inertial satellite module and complex inertial satellite system for navigation, communication, location illumination and control - Google Patents
Inertial satellite module and complex inertial satellite system for navigation, communication, location illumination and control Download PDFInfo
- Publication number
- RU2036432C1 RU2036432C1 SU5051877A RU2036432C1 RU 2036432 C1 RU2036432 C1 RU 2036432C1 SU 5051877 A SU5051877 A SU 5051877A RU 2036432 C1 RU2036432 C1 RU 2036432C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- unit
- inertial
- inputs
- outputs
- satellite
- Prior art date
Links
- 238000004891 communication Methods 0.000 title claims abstract description 25
- 238000005286 illumination Methods 0.000 title abstract 2
- 238000012937 correction Methods 0.000 claims description 15
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 claims description 9
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 14
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 12
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 9
- 238000000034 method Methods 0.000 description 8
- 241000630329 Scomberesox saurus saurus Species 0.000 description 4
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 4
- 238000011161 development Methods 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- 230000003094 perturbing effect Effects 0.000 description 2
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 230000003044 adaptive effect Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Navigation (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к навигации преимущественно морских судов и может быть применено для определения более чем одной навигационной величины с использованием средств космической навигации. The invention relates to the navigation of predominantly marine vessels and can be used to determine more than one navigation value using space navigation tools.
В настоящее время известны различные навигационные приборы и системы, обладающие высокой эффектвностью и обеспечивающие повышение безопасности движения. Currently, various navigation devices and systems are known that are highly effective and provide increased traffic safety.
Наиболее близким к предлагаемому является устройство подобного модуля, используемого в комплексе аппаратуры спутниковой радионавигационной системы NAVSTAR для летательного аппарата. Closest to the proposed device is a similar module used in the complex equipment of the satellite radio navigation system NAVSTAR for the aircraft.
Известный инерциально-спутниковый модуль содержит приемоиндикатор спутниковой системы навигации, блок вработки относительных линейных и угловых координат спутника и объекта, выходы которого с первого по третий соединены соответственно с входами приемоиндикатора спутниковой навигационной системы с первого по третий, блок инерциальных датчиков и вычислитель вектора состояния объекта, первый и второй выходы которого соединены соответственно с первым и вторым выходами блока инерциальных датчиков. The well-known inertial-satellite module contains a receiver-indicator of the satellite navigation system, a unit for generating relative linear and angular coordinates of the satellite and the object, the first to third outputs of which are connected respectively to the inputs of the receiver-indicator of the satellite navigation system from first to third, an inertial sensor unit and an object state vector calculator, the first and second outputs of which are connected respectively to the first and second outputs of the inertial sensor unit.
Такой модуль решает задачу определения координат движущегося объекта на основании интегрирования ускорений в системе координат, связанной с местным горизонтом. Оценка погрешностей в данном модуле производится путем построения оптимального фильтра Калмана. Для построения последнего необходимо знание моделей погрешностей измерителей и возмущений, действующих на них. Реализация фильтра требует большой загрузки бортовой цифровой вычислительной системы при большом количестве оцениваемых параметров и связана с опасностью расхождения вычислительного процесса, что часто встречается на практике. Эти особености обуславливают недостаточную точность и надежность модуля и приводят к необходимости индивидуальной настройки навигационного фильтра. Such a module solves the problem of determining the coordinates of a moving object based on the integration of accelerations in the coordinate system associated with the local horizon. Errors in this module are estimated by constructing the optimal Kalman filter. To construct the latter, knowledge of error models of meters and disturbances acting on them is necessary. The implementation of the filter requires a large load of the on-board digital computer system with a large number of estimated parameters and is associated with the danger of a discrepancy in the computing process, which is often encountered in practice. These features determine the lack of accuracy and reliability of the module and lead to the need for individual adjustment of the navigation filter.
Наиболее близкой к предлагаемой является комплексная инерциально-спутниковая система навигации, связи, освещения обстановки, управления и контроля, содержащая базовый инерциально-спутниковый модуль и последовательно соедиенные систему автоматического управления объектом, блок органов управления объектом и блок датчиков органов управления. Closest to the proposed one is a comprehensive inertial-satellite navigation, communication, lighting system, control and monitoring system, containing a basic inertial-satellite module and sequentially connected an automatic object control system, an object control unit and a control unit sensor block.
Такая комплексная система решает только навигационую задачу и ее свойства определяются характеристиками модуля, а именно она обладает недостаточной точностью и достоверностью из-за необходимости точного знания моделей погрешностей измерителей и возмущений, а также из-за возможности расхождения вычислительного процесса. Such an integrated system solves only the navigation problem and its properties are determined by the characteristics of the module, namely it has insufficient accuracy and reliability due to the need for accurate knowledge of the error models of meters and disturbances, as well as because of the possibility of a discrepancy in the computational process.
Техническим результатом изобретения является повышение доствоерности и точности выработки навигационых параметров, осуществляемой инерциально-спутниковым модулем, а также повышение достоверности вычислений, что позволило бы на базе получаемой более полной и точной информации о векторе состояния судна повысить безопасность судовождения, улучшить мореходность судна и контролировать его прочностные характеристики. The technical result of the invention is to increase the reliability and accuracy of the generation of navigation parameters carried out by the inertial-satellite module, as well as to increase the reliability of calculations, which would make it possible to increase the safety of navigation, improve the seaworthiness of the vessel and control its strength on the basis of the more complete and accurate information on the state vector of the vessel characteristics.
Это достигается тем, что в инерциально-спутниковый модуль, содержащий приемоиндикатор спутниковой системы навигации, блок выработки относительных линейных и угловых координат спутника и объекта, выходы которого с первого по третий соединены соответственно с входами приемоиндикатора спутниковой навигационной системы с первого по третий, блок инерциальных датичков и вычислитель вектора состояния объекта, первый и второй входы которого соединены соответственно с первым и вторым выходами блока инерциальных датчиков, введены блок выработки поправок, блок определения интегральных погрешностей, блок компенсации интегральных погрешностей, блок определения физических поправок и блок компенсации физических поправок, причем первый и второй выходы блока компенсации интегральных погрешностей соединены соответственно с первым и вторым входами блока выработки поправок и блока выработки относительных линейных и угловых координат спутника и объекта, третий вход которого соединен с первым выходом блока компенсации физических поправок, третий и четвертый входы блока выработки поправок соединены соответственно с первым и вторым выходами приемоиндикатора спутниковой системы навигации, а первый и второй выходы соединены соответственно с первым и вторым входами блока определения интегральной погрешности, первый и второй выходы которого соединены соответственно с первым и вторым входом блока определения физической погрешности и первым и вторым входом блока компенсации интегральной погрешности, тертий и четвертый входы которого соединены соответственно с первым и вторым выходами вычислителя вектора состояния объекта, входы блока компенсации физической погрешности с первого по четвертый соединены соответственно с выходами с первого по четвертый блока определения физической погрешности, а входы с пятого по восьмой соединены соответственно с выходами с третьего по шестой вычислителя вектора состояния объекта, первый и второй выходы блока компенсации интегральных погрешностей, первый, второй, третий и четвертый выходы блока компенсации физических погрешностей являются выходами инерциально-спутникового модуля соответственно с первого по шестой, седьмым его выходом является третий выход приемоиндикатора спутниковой навигационной системы. This is achieved by the fact that in the inertial-satellite module containing the receiver indicator of the satellite navigation system, a unit for generating relative linear and angular coordinates of the satellite and the object, the outputs of which are connected from the first to the third to the inputs of the receiver-indicator of the satellite navigation system from the first to the third, the inertial sensor unit and a calculator of the state vector of the object, the first and second inputs of which are connected respectively with the first and second outputs of the block of inertial sensors, the input block corrections, integral error determination unit, integral error compensation unit, physical correction determination unit and physical correction compensation unit, wherein the first and second outputs of the integral error compensation unit are connected respectively to the first and second inputs of the correction generation unit and the relative linear and angular coordinate generation unit a satellite and an object, the third input of which is connected to the first output of the compensation block for physical corrections, the third and fourth inputs of the output block and amendments are connected respectively to the first and second outputs of the receiver-indicator of the satellite navigation system, and the first and second outputs are connected respectively to the first and second inputs of the integral error determination unit, the first and second outputs of which are connected respectively to the first and second input of the physical error determination unit and the first and the second input of the integral error compensation unit, the third and fourth inputs of which are connected respectively to the first and second outputs of the vector computer object, the inputs of the physical error compensation unit from the first to fourth are connected respectively to the outputs from the first to fourth physical error determination unit, and the inputs from the fifth to eighth are connected respectively to the outputs from the third to sixth state vector computer, the first and second outputs of the compensation unit integral errors, the first, second, third and fourth outputs of the physical error compensation unit are the outputs of the inertial-satellite module, respectively, from the first to its sixth, seventh output is the third output of the satellite navigation system receiver indicator.
Технический результат изобретения достигается также тем, что в комплексную инерциально-спутниковую систему навигации, связи, освещения обстановки, управления и контроля, содержащую базовый инерциально-спутниковый модуль и последовательно соединенные систему автоматического управления объектом, блок органов управления объектом и блок датчиков органов управления, введены n инерциально-спутниковых модулей, разнесенных по корпусу объекта, n блоков определения линейных деформаций, n блоков определения угловых деформаций, а также блок индикаторов, имеющий n первых и n вторых входов, блок регистрации, имеющий n первых и n вторых входов, блок определения возмущающих сил, блок определения инерционных сил, блок определения управляющих сил, блок навигационной связи и блок освещения навигационной обстановки, причем первый вход i-го блока определения линейных деформаций (i 1.n) соединен с седьмым выходом базового инерциально-спутникового модуля, а второй вход с седьмым выходом i-го инерциально-спутникового модуля, первый вход i-го блока определения угловых деформаций соединен с третьим выходом базового инерциально-спутникового модуля, а второй вход с третьим выходом i-го инерциально-спутникового модуля, входы системы автоматического управления объектом с первого по девятый соединены соответственно с выходами базового инерциально-спутникового модуля с третьего по шестой, с первым и вторым выходами базового инерциально-спутникового модуля, выходом блока определения возмущающих сил, блоком датчиков органов управления и выходом блока освещения навигационной обстановки, первый и второй входы блока определения возмущающих сил соединены соответственно с выходом блока определения инерциальных сил и выходом блока определения управляющих сил, вход которого соединен с выходом блока датчиков органов управления, первый и второй входы блока навигационной связи соединены соответственно с первым и вторым выходами инерциально-спутникового модуля, а первый и второй выходы соединены соответственно с первым и вторым входами блока освещения навигационной обстановки, третий и четвертый входы которого соединены соответственно с первым и вторым выходами базового инерциально-суптникового модуля, входы блока определения инерционных сил с первого по четвертый соединены соответственно с выходами базового инерциально-спутникового модуля с третьего по шестой, n первых входов блока индикации соединены соответственно с выходами n блоков определения линейных деформаций, n вторых его входов соединены соответственно с выходами n блоков определения угловых деформаций, n вторых его входов соединены соответственно с выходами n блоков определения угловых деформаций, третий вход соединен с третьим выходом базового инерциально-спутникового модуля, четвертый с выходом блока освещения навигационной обстановки, а пятый и шестой входы соединены соответственно с первым и вторым выходами базового инерциально-спутникового модуля, n первых входов блока регистрации соединены соответственно с выходами n блоков определения линейных деформаций, а n его вторых входов соответственно с выходами n блоков определения угловых деформаций. The technical result of the invention is also achieved by the fact that a comprehensive inertial-satellite navigation, communication, lighting, control and monitoring system comprising a basic inertial-satellite module and series-connected automatic object control system, an object control unit and a control sensor unit are introduced n inertial-satellite modules spaced over the body of the object, n linear strain detection blocks, n angular strain detection blocks, and also an ind ikators, having n first and n second inputs, a registration unit having n first and n second inputs, a unit for determining disturbing forces, a unit for determining inertial forces, a unit for determining control forces, a navigation communication unit and a lighting unit for the navigation situation, the first input i- of the first block of determining linear deformations (i 1.n) is connected to the seventh output of the base inertial-satellite module, and the second input to the seventh output of the i-th inertial-satellite module, the first input of the i-th block of determining angular deformations is connected to the third m output of the base inertial-satellite module, and the second input with the third output of the i-th inertial-satellite module, the inputs of the automatic control system of the object from the first to the ninth are connected respectively to the outputs of the base inertial-satellite module from the third to the sixth, with the first and second outputs the base inertial-satellite module, the output of the block determining the disturbing forces, the sensor block of the controls and the output of the lighting unit of the navigation situation, the first and second inputs of the block determining the perturbation of forces are connected respectively to the output of the inertial force determination unit and the output of the control force determination unit, the input of which is connected to the output of the control unit sensor unit, the first and second inputs of the navigation communication unit are connected respectively to the first and second outputs of the inertial-satellite module, and the first and second the outputs are connected respectively to the first and second inputs of the lighting unit of the navigation situation, the third and fourth inputs of which are connected respectively to the first and second outputs of the base inertial-supchnik module, the inputs of the inertial-force determination unit from the first to the fourth are connected respectively to the outputs of the base inertial-satellite module from the third to the sixth, the n first inputs of the display unit are connected respectively to the outputs of the n units of linear deformations, n its second inputs are connected respectively to the outputs of n blocks for determining angular deformations, n of its second inputs are connected respectively to the outputs of n blocks for determining angular deformations, the third input is connected to the third output b of the inertial-satellite module, the fourth with the output of the navigation unit, and the fifth and sixth inputs are connected respectively to the first and second outputs of the base inertial-satellite module, the n first inputs of the registration unit are connected respectively to the outputs of n linear deformation determination blocks, and n of it second inputs, respectively, with the outputs of n blocks for determining angular deformations.
В предлагаемом инерциально-спутниковом модуле осуществляется непрерывная оценка погрешностей шести параметров объекта (трех пространственных координат и трех проекций линейной скорости) путем определения девяти интегральных параметров по каждой из шести погрешностей методом наименьших квадратов и последующего определения этих шести погрешностей, а также определения физических погрешностей (погрешностей измерения составляющих ускорения, углов качки и рыскания, угловых скоростей и ускорений) по определенному алгоритму и непрерывная компенсация измеренных погрешностей в процессе работы инерциально-спутникового модуля. The proposed inertial-satellite module continuously assesses the errors of six object parameters (three spatial coordinates and three projections of linear velocity) by determining nine integral parameters for each of the six errors using the least squares method and then determining these six errors, as well as determining physical errors (errors measuring acceleration components, pitching and yaw angles, angular velocities and accelerations) according to a specific algorithm and continuously Compensate for measurement error in the process of inertial-satellite module.
Предлагаемая комплексная система навигации, связи, освещения обстановки, управления и контроля основана на использовании наиболее полной и точной информации о параметрах абсолютного движения судна, являющегося объектом управления, и о параметрах его относительного движения по отношению к встречным судам, о текущих значениях возмущающих сил, действующих на управляемый подвижный объект, о текущих значениях линейных и угловых деформаций корпуса управляемого подвижного объекта, что в совокупности позволяет реализовать в рассматриваемой комплексной системе оптимальный и адаптивный закон управления подвижным объектом во всех условиях эксплуатации, в том числе и в экстремальных условиях. The proposed integrated navigation, communication, lighting, control and monitoring system is based on the use of the most complete and accurate information about the parameters of the absolute motion of the vessel being the object of control, and about the parameters of its relative motion with respect to the oncoming vessels, about the current values of the disturbing forces acting on a controlled moving object, about the current values of linear and angular deformations of the casing of a controlled moving object, which together allows you to implement an integrated system of optimal and adaptive control law by a mobile unit in all operating conditions, including in extreme conditions.
На фиг.1 представлена структурная схема инерциально-спутникового модуля; на фиг. 2 структурная схема комплексной системы навигации, связи, освещения обстановки, управления и контроля. Figure 1 presents the structural diagram of the inertial-satellite module; in FIG. 2 is a structural diagram of an integrated navigation, communication, lighting system, control and monitoring system.
На чертежах позициями обозначены: приемоиндикатор 1 спутниковой навигационной системы, блок 2 выработки относительных линейных и угловых координт спутника и объекта, блок 3 инерциальных датчиков, вычислитель 4 вектора состояния объекта, блок 5 выработки поправок, блок 6 определения интегральных погрешностей, блок 7 компенсации интегральных погрешностей, блок 8 определения физических погрешностей, блок 9 компенсации физических погрешностей, базовый инерциально-спутниковый модуль 10, первый 11 и i-й 12 инерциально-спутниковые модули, блок 13 определения линейных деформаций, блок 14 определения угловых деформаций, блок 15 индикаторов, блок 16 регистрации, блок 17 навигационной связи, блок 18 освещения навигационной обстановки, система 19 автоматического управления объектом, блок 20 определения инерционных сил, блок 21 определения управляющих сил, блок 22 определения возмущающих сил, блок 23 датчиков органов управления, блок 24 органов управления объектом. In the drawings, the positions indicated:
Инерциально-спутниковый модуль (фиг.1) включает приемоиндикатор 1 спутниковой навигационной системы, состоящий из последовательно соединенных антенны, усилителя высокой частоты, первого смесителя, усилителя промежуточной частоты, второго смесителя, а таже из m параллельных цепей, каждая из которых состоит из блока выделения допплеровской частоты, коррелятора и аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Входы блоков выделения допплеровской частоты объединены и соединены с выходом второго смесителя, выходы АЦП соединены с входами управляющего процессора (УП), управляющие входы коррляторов соединены с выходами генератора кода, управляющие входы смесителей соединены с выходами генератора опорной частоты, приемник имет три входа, которые соединены с входом УП, и три выхода, при этом первый выход через фазовый детектор соединен с выходом второго смесителя, а второй и третий выходы соединены с выходами УП. Блок 2 выработки относительных линейных и угловых координат спутника и объекта осдержит датчик параметров движения спутника и вычислитель соответствующих параметров относительного движения. Блок 2 имеет три входа и три выхода. Блок 3 инерциальных датчиков представляет собой три акселерометра и три лазерных гироскопа и имеет два выхода. Вычислистель 4 вектора состояния объекта имеет два входа и шесть выходов. Блок 5 выработки поправок представляет собой блок вычитателей и имеет первый, второй, третий и четвертый входы и первый и второй выходы. Блок 6 определения интегральных погрешностей представляет собой набор сумматоров и интеграторов, выполняющих по определенному алгоритму ряд операций и имеет первый и второй входы и первый и второй выходы. Блок 7 компенсации интегральных погрешностей представляет собой набор сумматоров и имеет первый, второй, третий и четвертый входы и первый и второй выходы. Блок 8 определения физических погрешностей представляет собой набор сумматоров и умножителей и имеет первый и второй входы и четыре выхода. Блок 9 компенсации физических погрешностей представляет собой набор сумматоров и имеет восемь входов и четыре выхода. The inertial-satellite module (Fig. 1) includes a satellite
Блоки связаны между собой следующим образом: первый, второй и третий входы приемоиндикатора 1 спутниковой навигационной системы соединены соответственно с первым, вторым и третьим выходами блока 2 выработки относительных линейных и угловых координат, первый и второй входы которого соединены с первым и вторым входами блока 5 выработки поправок, третий и четвертый входы блока 5 соединены соответственно с вторым и третьим выходами приемоиндикатора 1, первый и второй выходы блока 5 соединены с первым и вторым входами блока 6 определения интегральных погрешностей, первый и второй выходы которого соединены соответственно с первым и вторым входами блока 7 компенсации интегральных погрешностей и с первым и вторым входами блока 8 определения физических погрешностей, первый, второй, третий и четвертый выходы блока 8 соединены с первым, вторым, третьим и четвертым входами блока 9 компенсации физических погрешностей, первый и второй выходы блока 3 инерциальных датчиков соединены с первым и вторым входами вычислителя 4 вектора состояния объекта, первый и второй выходы которого соединены соответственно с третьим и четвертым входами блока 7 компенсации интегральных погрешностей, третий, четвертый, пятый и шестой выходы вычислителя 4 соединены с пятым, шестым, седьмым и восьмым входами блока 9 компенсации физических погрешностей, первый и второй выходы блока 7 соединены с первым и вторым входами блока 2 выработки относительных линейных и угловых координат, третий вход блока 2 соединен с первым выходом блока 9, выходами инерциально-спутникового модуля являются четыре выхода блока 9 и первый и второй выходы блока 7, а также первый выход приемоиндикатора 1. The blocks are interconnected as follows: the first, second and third inputs of the receiver-
Инерциально-спутниковый модуль работает следующим образом. Inertial-satellite module operates as follows.
Акселерометры блока 3 инерциальных датчиков вырабатывают сигналы, пропорциональные угловым скоростям поворота относительно связанных осей. Сигналы с выхода блока 3 поступают в вычислитель 4 вектора состояния объекта. Блок 3 и вычислитель 4 реализуют бесплатформенную инерциально-навигационную систему (БИНС). На выходе вычислителя 4 вектора состояния объекта вырабатываются сигналы, пропорциональные линейным координатам Xc, Yc, Zc и линейным скоростям Xc, Yс, Zc судна в общеземной системе координат, углам крена дифферента и рысканья, а также бковому ускорению судна, угловым скоростям и угловым ускорениям судна. Эти сигналы, как правило, содержат большие погрешности, которые накапливаются со временем, что свойственно инерциальным системам. Сигналы с первого и второго выходов (линейные координаты и скорости) вычислителя 4 вектора состояния объекта подаются на третий и четвертый входы блока 7 компенсации интегральных погрешностей. Приемоиндикатор 1 спутниковой навигционной системы вырабатывает сигналы высокой точности, пропорциональные линейным координатам и линейным скоростям судна, которые подаются на третий и четвертый входы блока 5 выработки поправок. Аналогичные сигналы, вырабатываемые ИНС (блок 3 и вычислитель 4), через блок 7 поступают на первый и второй входы блока 5, который вырабатывает сигналы погрешностей в измерении координат и скоростей и подает их на вход блока 6 определения интегральных погрешностей. При этом на первом выходе блока 5 вырабатываются сигналы погрешностей в измерении координат, а на втором выходе блока 5 сигналы погрешностей в измерении линейных скоростей. Установлено, что ошибка ИНС может быть представлена многочленом, который содержит тригонометрические члены с Шулеровским и суточным периодами и их комбинации и имеет вид
Δxi aio + ai1 cos Ut + ai2 sin Ut +
+ai3 cos (ν U)t + ai4 sin ( ν- U) +
+ai5 cos νt + ai6 sin νt + ai7 cos (ν + U)t +
+ai8 sin (ν + U)t + δxi (i 1, 2.6) (1) где Δxi погрешность измерения ИНС каждой из трех географических координат и трех составляющих вектора скорости;
ν круговая частота, соответствующая периоду Шулера;
U круговая частота, соответствующая суточному периоду;
δxi случайная составляющая;
aik интегральные параметры, подлежащие определению (К 0, 1.8)
В предлагаемом модуле реализуется методика оценки погрешностей шести параметров (трех координат и трех проекций линейной скорости) путем определения девяти интегральных параметров по каждой из шести погрешностей методом наименьших квадратов и последующим определением этих погрешностей в соответствии с выражением (1) как заданных функций времени. Эта оценка производится в блоке 6 определения интегральных погрешностей.The accelerometers of the
Δx i a io + a i1 cos Ut + a i2 sin Ut +
+ a i3 cos (ν U) t + a i4 sin (ν- U) +
+ a i5 cos νt + a i6 sin νt + a i7 cos (ν + U) t +
+ a i8 sin (ν + U) t + δx i (
ν circular frequency corresponding to the Schuler period;
U is the circular frequency corresponding to the daily period;
δx i random component;
a ik integral parameters to be determined (K 0, 1.8)
The proposed module implements a technique for estimating the errors of six parameters (three coordinates and three projections of linear velocity) by determining nine integral parameters for each of the six errors by the least square method and then determining these errors in accordance with expression (1) as given time functions. This assessment is performed in block 6 for determining the integral errors.
В соответствии с методом наименьших квадратов интегральные параметры aik (i 1.6, K 0, 1.8) могут быть опрдеелены путем решения следующей алгебраической системы уравнений. Для первой погрешности (погрешность ▽ х1) эта система имеет вид
+ cosuтdτ+ sinuτdτ+ cos(ν-u)τdτ+
+ sin(ν-u)τdτ+ cosντdτ+ sinντdτ
cosuτdτ+ cos2uτdτ+ sinuτcosuτdτ+
+ cos(ν-u)τcosuτdτ+ sin(ν-u)τcosuτdτ+
+ cosντcosuτdτ+ sinντcosuτdτ+
+ cos(ν+u)τcosuτdτ+ sin(ν+u)τcosuτdτ=
▽x1(τ)cosuτdτ; (2)
sin(ν+u)τdτ+ cosuτsin(ν+u)τdτ+
+ sinuτsin(ν+u)τdτ+ cos(ν-u)τsin(ν+u)τdτ+
+ cos(ν+u)τsin(ν+u)τdτ+ sin2(ν+u)τdτ= ▽x1(τ)sin(ν+u)τdτ, где (К 0, 1.8) оценки параметров а1К;
τc период наблюдения;
▽x1(t)=Δx
▽х1 выходной сигнал блока 5.In accordance with the least squares method, the integral parameters a ik (i 1.6, K 0, 1.8) can be determined by solving the following algebraic system of equations. For the first error (error ▽ x 1) this system has the form
+ cosu t dτ + sinuτdτ + cos (ν-u) τdτ +
+ sin (ν-u) τdτ + cosντdτ + sinντdτ
cosuτdτ + cos 2 uτdτ + sinuτcosuτdτ +
+ cos (ν-u) τcosuτdτ + sin (ν-u) τcosuτdτ +
+ cosντcosuτdτ + sinντcosuτdτ +
+ cos (ν + u) τcosuτdτ + sin (ν + u) τcosuτdτ =
▽ x 1 (τ) cosuτdτ; (2)
sin (ν + u) τdτ + cosuτsin (ν + u) τdτ +
+ sinuτsin (ν + u) τdτ + cos (ν-u) τsin (ν + u) τdτ +
+ cos (ν + u) τsin (ν + u) τdτ + sin 2 (ν + u) τdτ = ▽ x 1 (τ) sin (ν + u) τdτ, where (K 0, 1.8) estimates of the parameters a 1K ;
τ c observation period;
▽ x 1 (t) = Δx
▽ x 1 block 5 output signal.
Аналогично системе уравнений (2) записываются системы уравнений для других пяти погрешностей ▽xi (i 2, 3.6)
Таким образом, в блоке 6 определения интегральных погрешностей производится оценка 54-х интегральных параметров (шесть систем уравнений по девять уравнений в каждой).Similarly to the system of equations (2), systems of equations are written for the other five errors ▽ x i (
Thus, in block 6 of the determination of integral errors, an assessment is made of 54 integral parameters (six systems of equations with nine equations each).
После определения в блоке 6 интегральных параметров (i 1.6, К 0.8) в этом же блоке производится умножение каждого из определенных параметров на соответствующую функцию времени в сооответствии с уравнением (1). Таким образом, на выходе блока 6 вырабатываются сигналы оценок каждой из шести погрешностей инерциальной системы (три координаты места и три проекции вектора скорости). Эти сигналы поступают на входы блока 7 компенсации интегральных погрешностей, где путем суммирования их с соответствующими выходными сигналами ИНС вырабатываются откорректированные текущие значения трех координат места и трех составляющих вектор скорости судна. After determining the integral parameters in block 6 (i 1.6, K 0.8) in the same block, each of the determined parameters is multiplied by the corresponding function of time in accordance with equation (1). Thus, at the output of block 6, signals of estimates of each of the six errors of the inertial system (three location coordinates and three velocity vector projections) are generated. These signals are fed to the inputs of the integral
Кроме коррекции указанных сигналов в инерциально-спутниковом модуле производится коррекция физических параметров, вырабатываемых ИНС (блок 3 и вычислитель 4):
трех угловых координат судна (дифферент ν, рысканье Ψ крен κ);
трех проекций угловых скоростей судна на связанные оси ωх, ωy, ωz);
трех проекций углового ускорения судна , , на связанные оси;
проекции линейного ускорения судна Wx, Wy, Wz на общеземные оси.In addition to the correction of these signals in the inertial-satellite module, the physical parameters generated by the ANN are corrected (
three angular coordinates of the vessel (trim ν, yaw Ψ roll κ);
three projections of the angular velocity of the vessel on the connected axes ω x , ω y , ω z );
three projections of the angular acceleration of the ship , , on connected axes;
projections of the linear acceleration of the vessel W x , W y , W z on common earth axes.
Оценка данных физических параметров, не наблюдаемых с помощью приемника 1, производится путем выработки оценок погрешностей этих параметров, а именно
погрешностей измерения трех углов начальной ориентации судна dν, dΨ, dκ;
погрешностей измерения трех проекций угловой скорости и углового укорения на связанные оси dωx,d ωy, dωz, d, d, d;
смещения нуля каждого из трех акселерометров dWx, dWy, dWz;
погрешности масштабного коэффициента каждого из трех акселерометров dmx, dmy, dmz.The assessment of the data of physical parameters not observed using
measurement errors of the three angles of the initial orientation of the vessel dν, dΨ, dκ;
measurement errors of three projections of angular velocity and angular rooting on the connected axes dω x , d ω y , dω z, d , d , d ;
zero offsets of each of the three accelerometers dW x , dW y , dW z ;
errors of the scale factor of each of the three accelerometers dm x , dm y , dm z .
Оценка перечисленных погрешностей производится блоком 8. The estimation of the listed errors is performed by
Установлено, что погрешности физических параметров связаны с интегральными параметрами посредством следующих зависимостей:
dν f
fik априорно известные численные коэффициенты.It is established that the errors of physical parameters are associated with integral parameters through the following relationships:
dν f
f ik a priori known numerical coefficients.
В блоке 8 производится периодическое (с периодом, равным интервалу наблюдения Т) вычисление оценок погрешностей физических параметров ν, запоминание их на интервале наблюдения Т и замещение оценок, выработанных на предыдущем интервале наблюдения, оценками, выработанными по прошествии текущего интервала наблюдения. Сигналы оценок с выхода блока 8 поступают на входы блока 9 компенсации погрешностей физических параметров. При этом на первый вход блока 9 поступают сигналы трех угловых погрешностей ИНС, на второй вход сигналы погрешностей смещения нуля и масштабного коэффициента трех акселермоетров, на третий вход сигналы погрешностей измерения трех составляющих угловой скорости судна, на четвертый вход сигналы погрешностей трех составляющих углового ускорения судна. In
Одновременно с выхода вычислителя 4 вектора состояния объекта 4 на входы блока 9 поступают сигналы трех составляющих вектора углового ускорения, на шестой вход блока 9 сигналы трех составляющих вектора угловой скорости, на седьмой вход блока 9 проекции вектора линейного ускорения судна на связанные оси, на восьмой вход блока 9 сигналы углов поворота судна относительно трех связанных осей. Simultaneously, from the output of the calculator 4 of the state vector of the object 4, the signals of the three components of the angular acceleration vector are sent to the inputs of the
В блоке 9 осуществляется коррекция физических параметров ИНС по следующим формулам:
Wx (Wx и + dWx) (mx + dmx),
Wy (Wy и + dWy) (my + dmy),
Wz (Wz и + dWz) (mz + dmz);
ωх ωх и + dωx, ωy ωy и + dωy;
ωz ωz и + dωz;
=+d, =ω
θ=θи+ dωy(τ)dτ+Δθи, Ψ=Ψи+ dωz(τ)dτ+dΨи,
κ=κи+ dωx(τ)dτ+dκи, где dWx, dWy, dWz; dmx, dmy, dmz;
dωx, dωy, dωz; d, d, d,
dθи, dΨи, dκи, оценки погрешностей физических параметров ИНС, вырабатываемые блоком 8;
Wx и, Wy и, Wz и; ωx и, ωy и, ωz и; , , , θи, Ψи, κи физические параметры, вырабатываемые ИНС (блок 3 и вычислитель 4);
Wx, Wy, Wz; ωx, ωy, ωz; , , , θ, Ψ, κ физические параметры, вырабатываемые блоком 9.In
W x (W x and + dW x ) (m x + dm x) ,
W y (W y and + dW y ) (m y + dm y ),
W z (W z and + dW z ) (m z + dm z );
ω x ω x and + dω x , ω y ω y and + dω y ;
ω z ω z and + dω z ;
= + d , = ω
θ = θ and + dω y (τ) dτ + Δθ and , Ψ = Ψ and + dω z (τ) dτ + dΨ and ,
κ = κ and + dω x (τ) dτ + dκ and , where dW x , dW y , dW z ; dm x , dm y , dm z ;
dω x , dω y , dω z ; d , d , d ,
dθ and , dΨ and , dκ and , error estimates of the physical parameters of the ANN generated by
W x and , W y and , W z and ; ω x and , ω y and , ω z and ; , , , θ and , Ψ and , κ and physical parameters generated by the ANN (
W x , W y , W z ; ω x , ω y , ω z ; , , , θ, Ψ, κ are physical parameters generated by
Выходной сигнал с первого выхода блока 9, пропорциональный углам дифферента и крена, поступает на третий вход блока 2 выработки относительных линейных и угловых координат, на первый и второй входы которого поступают сигналы с первого и второго выходов блока 7. Эти сигналы пропорциональны текущим значениям координат и проекциям линейной скорости судна на оси общеземной системы координат. The output signal from the first output of
В блоке 2 вырабатываются запрограммированные линейные координаты спутника в общеземной системе координат, проекции линейной скорости спутника на оси этой системы координат и угловые координаты спутника, при этом спутник выбирается из имеющихся в каталоге спутников Земли, исходя из условия обеспечения наиболее благоприятных условий связи со спутником, для чего на вход датчика поступает информация о текущих координатах судна. На основании выработанной информации вычислителем блока 2 определяются следующие параметры спутника:
дальность до спутника по формуле
D=; (5)
относительная скорость движения судна относительно спутника по формуле
(-)(xc-x)+(-)(yc-y)+(-)(zc-z); (6)
относительные угловые координаты спутника по формулам
ε= arcsin П=arcsin , (7) где xc, yc, zc координаты места спутника в общеземной системе координат.In
range to the satellite according to the formula
D = ; (5)
the relative speed of the vessel relative to the satellite according to the formula
( - ) (x c -x) + ( - ) (y c -y) + ( - ) (z c -z) ; (6)
relative angular coordinates of the satellite according to the formulas
ε = arcsin N = arcsin , (7) where x c , y c , z c are the coordinates of the satellite’s location in the Earth-wide coordinate system.
Дифференцируя по времени алгебраические уравнения (7), получаем выражения первых производных по времени , относительных угловых координат спутника ε, п.Differentiating the algebraic equations (7) with respect to time, we obtain the expressions of the first derivatives with respect to time , relative angular coordinates of the satellite ε, p.
Выработанные значения относительных параметров движения спутника с выхода блока 2 поступают на входы УП приемоиндикатора 1. The generated values of the relative parameters of the satellite’s motion from the output of
В состав УП включен цифроимпульсный преобразователь, на выходе которого по значениям D и вырабатываются стробирующие импульсы для управления блоками измерения относительной дальности и относительной скорости спутника. Эти сигналы поступают на входы коррелятора и блока выделения допплеровского смещения. Введение опорных стробирующих сигналов в приемнике позволяет существенно упростить аппаратуру приемника за счет сокращения числа каналов, осуществляющих поиск сигнала спутника по относительной дальности и относительной скорости движения. С другого выхода УП на вход антенны поступают сигналы управления диаграммой направленности фазовой антенной решетки, вырабатываемые УП по сигналам п, ε угловой ориентации спутника относительно судна и выходным сигналам ИНС.The UE includes a digital-pulse converter, the output of which, according to the values of D and gating pulses are generated to control the units for measuring the relative range and relative speed of the satellite. These signals are fed to the inputs of the correlator and the Doppler shift biasing unit. The introduction of reference gate signals in the receiver can significantly simplify the receiver equipment by reducing the number of channels that search for a satellite signal by relative range and relative speed. From the other output of the UE, the antenna input signals the directional diagram of the phase antenna array, which are generated by the UE from the signals n, ε of the angular orientation of the satellite relative to the vessel and the output signals of the ANN.
Предлагаемый инерциально-спутниковый модуль обеспечивает решение поставленной задачи повышения точности и достоверности выработки навигационных параметров движения судна и повышения надежности вычислительных процессов благодаря выработке интегральных и физических погрешностей ИНС. The proposed inertial-satellite module provides a solution to the problem of increasing the accuracy and reliability of the development of navigational parameters of the vessel’s movement and improving the reliability of computing processes due to the development of integral and physical errors of the ANN.
Комплексная система навигации, связи, освещения обстановки, управления и контроля включает базовый инерциально-спутниковый модуль и n дополнительных однотипных модулей, где число определяется числом характерных точек на судне, подлежащих контролю на относительную деформацию (угловую и линейную) под действием внешних возмущений (ветровых порывов, ударов волн и т.д.) с целью обеспечения безопасности выполнения текущих маневров судна, а также с целью повышения точности измерителей, установленных в этих точках, и накопления статических данных о деформациях, используемых для обеспечения оптимальных запасов прочности судна при строительстве судов данной серии. An integrated navigation, communication, lighting, control and monitoring system includes a basic inertial-satellite module and n additional modules of the same type, where the number is determined by the number of characteristic points on the vessel that are subject to control for relative deformation (angular and linear) under the influence of external disturbances (wind gusts) , shock waves, etc.) in order to ensure the safety of the current maneuvers of the vessel, as well as to improve the accuracy of the meters installed at these points, and the accumulation of static data s of strains used for optimal reserves vessel strength in the construction of vessels in this series.
Комплексная система навигации, управления и контроля (фиг.2) содержит базовый инерциально-спутниковый модуль 10; однотипные с ним первый модуль 11 и i-й модуль 12 (i 1-n); однотипные блоки 131 и 13iопределения линейных деформаций для первого и i-го модулей, каждый из которых представляет собой набор блоков сравнения; однотипные блоки 141и 14i определения угловых деформаций для первого и i-го модулей, каждый из которых представляет собой набор блоков сравнения; блок 15 индикаторов, имеющий n первых и n вторых входов; блок 16 регистрации, имеющий n первых и n вторых входов, представляющий собой набор самописцев; блок 17 навигационной связи, который представляет собой, например, приемник и передатчик космической системы радиосвязи "Инморсат", посредством которых ν-й встречный подвижный объект и наш подвижный объект транслируют через спутник свои абсолютные координаты места, а также их производные; блок 18 освещения навигационной обстановки, вырабатывающий относительные координаты между ν-м и нашим подвижным объектом, в том числе дальности до ν-го подвижного объекта и угла пеленга на ν-й подвижный объект, а также производные относительных координат; систему 19 автоматического управления объектом, которая имеет шесть входов от базвого инерциально-спутникового модуля 10, один вход от блока 18 освещения навигационной обстановки, а также два входа по действительному положению органов управления (руля, подруливающего устройства и др.) и по возмущающим силам (система имеет один выход); блок 20 определения инерционных сил, действующих на подвижный объект, представляющий собой набор множителей, сумматоров и дифференцирующих устройств; блок 21 определения управляющих сил, действующих на подвижный объект, представляющий собой набор множителей и сумматоров; блок 22 определения возмущающих сил, действующих на подвижный объект, пресдтавляющий собой набор сумматоров; блок 23 датчиков органов управления, представляющий собой в частном случае набор потенциометров; блок 24 органов управления, представляющих собой набор управляющих (рулевых) механизмов.An integrated navigation, control and monitoring system (FIG. 2) comprises a basic inertial-satellite module 10; the first module 11 and the i-th module 12 (i 1-n) of the same type; the same blocks 13 1 and 13 i determine linear strains for the first and i-th modules, each of which is a set of comparison blocks; the same type of blocks 14 1 and 14 i determine the angular deformations for the first and i-th modules, each of which is a set of comparison blocks; block 15 indicators having n first and n second inputs; a registration unit 16 having n first and n second inputs, which is a set of recorders; a navigation communication unit 17, which is, for example, a receiver and transmitter of the Inmorsat space radio communication system, by means of which the νth oncoming moving object and our moving object transmit their absolute position coordinates and their derivatives via satellite; block 18 lighting the navigation situation, generating the relative coordinates between the νth and our moving object, including the distance to the νth moving object and the bearing angle to the νth moving object, as well as derivatives of the relative coordinates; a system 19 of automatic control of the object, which has six inputs from the base inertial-satellite module 10, one input from the lighting unit 18 of the navigation situation, as well as two inputs according to the actual position of the controls (steering wheel, thruster, etc.) and perturbing forces ( the system has one output); block 20 determining inertial forces acting on a moving object, which is a set of factors, adders and differentiating devices; block 21 determining the control forces acting on a moving object, which is a set of factors and adders; block 22 determining disturbing forces acting on a moving object, representing a set of adders; a block 23 of sensors of the controls, which in a particular case is a set of potentiometers; a block of 24 controls representing a set of control (steering) mechanisms.
Блоки системы соединены между собой следующим образом. The system blocks are interconnected as follows.
Первый выход приемоиндикатора 1 базового инерциально-спутникового модуля 10 соединен с первыми входами блоков 131 и 13i определения линейных деформаций. Первый выход приемоиндикатора 1 модулей 11 и 12 соединен сответственно с вторым вхдом блоков 131 и 13i. Первый выход блока 9 базового модуля 10 соединен с третьим входом блока 15 и с первыми входами блоков 141 и 14i определения угловых деформаций. Второй вход каждого блока 141 и 14i соединен соответственно с выходом блоков 91и 9i. Выходы блоков 131 и 13i соединены соответственно с входами 11 и 1iблока 15 индикаторов и с входами 11 и 1i блока 16 регистрации. Выходы блоков 141 и 14i соединены сответственно с входами 21 и 2i блока 15 и с входами 21 и 2i блока 16. Первый и второй выходы блока 17 навигационной связи подключены к первому и второму входам блока 18 освещения навигационной обстановки. Третий и четвертый входы блока 18 соединены с первым и вторым выходами блока 7 компенсации интегральных погрешностей базового модуля 10, выход блока 18 соединен с четвертым входом блока 15 и девятым входом системы 19, первый, второй, третий и четвертый выходы блока 9 компенсации физифческих погрешностей базового модуля 10 соединены соответственно с первым, вторым, третьим и четвертым входами системы 19 автоматического управления объектом и с первым, вторым, третьим и четвертым входами блока 20 определения инерционных сил. Пятый и шестой входы системы 19 соединены соответственно с первым и вторым выходами блока 7 компенсации интегральных погрешностей базового модуля 10, с пятым и шестым входами блока 15 индикаторов и с первым и вторым входами блока 17 навигационной связи. Третий вход блока 17 является входом комплексной системы, а третий выход блока 17 является ее выходом. Выход блока 20 соединен с первым входом блока 22. Выход блока 21 соединен с вторым входом блока 22 определения возмущающих сил, выход блока 22 подключен к седьмому входу системы 19. Выход системы 19 соединен с входом блока 24 органов управления. Выход блока 24 соединен с входом блока 23 датчиков органов управления. Выход блока 23 датчиков осединен с входом блока 21 и с восьмым входом системы 19.The first output of the receiver-
Комплексная система навигации, связи, освещения обстановки, управления и контроля работает следующим образом. An integrated system of navigation, communication, lighting, control and monitoring works as follows.
Система содержит базовый модуль 10, устанавливаемый в наименее возмущаемом месте судна, и n дополнительных модулей, которые устанавливаются в различных точках объектов. The system contains a base module 10, installed in the least disturbed place of the vessel, and n additional modules, which are installed at various points of objects.
Рассмотрим работу комплексной системы, имея в виду некоторый i-й модуль (любой из n дополнительных модулей). Consider the operation of a complex system, bearing in mind some i-th module (any of the n additional modules).
Базовый инерциально-спутниковый модуль 10 имеет на выходе следующие сигналы:
на первом и втором выходах блока 7 компенсации интегральных погрешностей вырабатываются сигналы, пропорциональные координатам и составляющим вектора скорости объекта;
на первом, втором, третьем и четвертом выходах блока 9 компенсации физических погрешностей вырабатываются сигналы, пропорциональные углам рысканья и качки судна, угловым скоростям и ускорениям и составляющим вектора линейного ускорения судна;
на первом выходе приемоиндикатора 1 спутниковой навигационной системы вырабатываются сигналы, содержащие информацию о фазе несущей принимаемого сигнала от искусственного спутника Земли.The base inertial-satellite module 10 has the following signals at the output:
at the first and second outputs of the integral
at the first, second, third and fourth outputs of the physical
at the first output of the
Блок 9i i-го инерциально-спутникового модуля 12 вырабатывает значения угловых параметров движения судна в точках установки i-го модуля 12, которые подаются на вход блока 14i определения угловых деформаций судна. В блоках сравнения, входящих в состав блока 14i, производится вычитание сигналов углового положения судна по каждому из углов θ, Ψ, γ, выработанных блоками 9 и 9i базового и i-го инерциально-спутниковых модулей. Значения разностей определяют деформации судна и поступают на блок 15 индикаторов для информации судоводителю о степени безопасности судна при выполнении маневров, а также при воздействии внешних возмущений (ветровых и волновых). Одновременно значения разностей поступают на блок 16 регистрации для сбора статистической информации о деформируемости корпуса судна с целью обеспечения оптимальных запасов прочности в строящихся судах данной серии. Линейные деформации корпуса судна в точке установки i-го модуля определяются в составе блока 13. В нем вырабатывается разность фаз поступающих от спутника входящих сигналов по несущей частоте и принятых приемоиндикатором 1 базового модуля и приемоиндикатором 1 i-го модуля.Block 9 i of the i-th inertial-satellite module 12 generates values of the angular parameters of the vessel at the installation points of the i-th module 12, which are fed to the input of the block 14 i of determining the angular deformations of the vessel. In the comparison blocks included in block 14 i , the signals of the angular position of the vessel are subtracted for each of the angles θ, Ψ, γ generated by
Измерение линейной деформации приозводится по формуле
Δui(t)= Aнcos, (8) где ΔUi измеряемая разность выходных фазовых сигналов приемоиндикатора 1i i-го модуля и базового модуля;
с скорость света;
Ан амплитуда несущей сигнала;
ΔDi измеряемое с учетом линейной деформации расстояние между точками установки i-го и базового модулей на корпусе судна.The linear strain measurement is calculated using the formula
Δu i (t) = A n cos , (8) where ΔUi is the measured difference of the output phase signals of the receiver 1 i i-th module and the base module;
with the speed of light;
And n is the amplitude of the carrier signal;
ΔD i measured between linear deformation of the distance between the installation points of the i-th and base modules on the ship's hull.
Значения сигналов ΔDi поступают на входы блока 15 для информации судоводителю и на входы блока 16 для их регистрации.The values of the signals ΔD i are fed to the inputs of block 15 for information to the skipper and to the inputs of block 16 for their registration.
В экстремальных условиях, например при шторме, судоводитель использует поступившую к нему информацию о текущих деформациях корпуса судна с целью безопасного управления судна. Например, судоводитель может уменьшить скорость судна при шторме, оперативно поворачивать корпус судна "носом к волне" с учетом того, что направление волн изменяется и т.д. In extreme conditions, such as during a storm, the skipper uses the information received about him about the current deformations of the ship's hull for the purpose of safe control of the ship. For example, the skipper can reduce the speed of the ship during a storm, quickly turn the hull of the ship "nose to wave", taking into account the fact that the direction of the waves changes, etc.
В предлагаемом изобретении реализуется не только принцип управления подвижным объектом "по отклонению", но и принцип управления подвижным объектом "по возмущению". In the present invention, not only the principle of controlling a moving object "by deviation" is realized, but also the principle of controlling a moving object "by perturbation".
Для этого призводится косвенное измерение текущих значений возмущающих сил и моментов (гидродинамических, аэродинамических), действующих на корпус подвижного объекта. For this, an indirect measurement of the current values of the disturbing forces and moments (hydrodynamic, aerodynamic) acting on the body of a moving object is carried out.
Косвенное измерение возмущающих сил и моментов основывается на том, что их можно определить как разность инерционных и управляющих сил и моментов. An indirect measurement of disturbing forces and moments is based on the fact that they can be defined as the difference between inertial and control forces and moments.
Инерционные силы и моменты определяются в блоке 20 по выходным сигналам базового модуля 10, причем определяются в связанной с корпусом подвижного объекта системе координат, начало которой совмещено с точкой установки базового модуля на корпусе управляемого подвижного объекта. Inertial forces and moments are determined in block 20 by the output signals of the base module 10, and are determined in the coordinate system associated with the body of the moving object, the origin of which is combined with the installation point of the base module on the body of the controlled moving object.
Составляющие в ситеме координат Oxyz главного вектора инерционных сил имеют следующие выражения:
Fиx MWx, Fиy MWy, Fz MWz (9) где М масса подвижного объекта (с учетом присоединенной массы воды для судна);
Wx, Wy, Wz составляющие вектора абсолютного линейного ускорения точки 0 по осям трехгранника Oxyz.Components in the coordinate system Oxyz of the main vector inertial forces have the following expressions:
F THEIR MW x, F and Y MW y, F z MW z (9) wherein M is the mass of a moving object (with the added mass of water to the vessel);
W x , W y , W z components of the absolute linear acceleration vector of point 0 along the axes of the trihedron Oxyz.
Составляющие в системе координат Oxyz главного момента Lиинерционных сил относительно точки 0 имеют следующие выражения:
Lих (Ixωx-Ixyωy-Ixzωz)+ωy(-Ixzωx-Iyzωy+Izωz)-
-ωz(-Ixyωx+Iyωy-Iyzωz)+M(Wylz-Wzly);
Lиy (-Ixyωx+Iyωy-Iyzωz)+ωz(Ixωx-Iyωy-Ixzωz)-
-ωx(-Ixzωx-Iyzωy+Izωz)+M(Wzlx-Wxlz); (10)
Lиz (-Ixzωx-Iyzωy+Izωz)+ωx(-Ixyωx+Iyωy-Iyzωz)-
-ωy(Ixωx-Ixyωy-Ixzωz)+M(Wxly-Wylx), где ix, iy, iz, ixy, ixz, iyz моменты инерции и центробежные моменты инерции корпуса подвижного объекта в системе координат Oxyz;
lx, ly, lz составляющие вектора , проведенного из точки 0 к центру масс корпуса подвижного объекта;
ωx, ωy, ωz проекции на оси трехгранника Oxyz вектора абсолютной угловой скорости вращения корпуса объекта;
Wx, Wy, Wz проекции на оси трехгранника Oxyz вектора абсолютного ускорения тoчки 0.The components in the coordinate system Oxyz of the principal moment L and inertial forces with respect to point 0 have the following expressions:
L them (I x ω x -I xy ω y -I xz ω z ) + ω y (-I xz ω x -I yz ω y + I z ω z ) -
-ω z (-I xy ω x + I y ω y -I yz ω z ) + M (W y l z -W z l y );
L and y (-I xy ω x + I y ω y -I yz ω z ) + ω z (I x ω x -I y ω y -I xz ω z ) -
-ω x (-I xz ω x -I yz ω y + I z ω z ) + M (W z l x -W x l z ); (10)
L and z (-I xz ω x -I yz ω y + I z ω z ) + ω x (-I xy ω x + I y ω y -I yz ω z ) -
-ω y (I x ω x -I xy ω y -I xz ω z ) + M (W x l y -W y l x ), where i x , i y , i z , i xy , i xz , i yz moments of inertia and centrifugal moments of inertia of the body of a moving object in the Oxyz coordinate system;
l x , l y , l z components of the vector drawn from point 0 to the center of mass of the body of the moving object;
ω x, ω y , ω z projections on the axis of the trihedron Oxyz of the vector absolute angular speed of rotation of the body of the object;
W x , W y , W z projections on the axis of the trihedron Oxyz of the vector absolute acceleration of point 0.
В частном случае из выражений (9) и (10) инерционных сил и моментов можно получить упрощенные их выражения. In the particular case, from expressions (9) and (10) of inertial forces and moments, we can obtain their simplified expressions.
Управляющие силы и моменты, действующие на подвижный объект, определяются в блоке 21 по выходным сигналам блока 23 датчиков органов управления подвижным объектом. Эти датчики измеряют текущее положение К органов управления
UK (K 1, 2.K) (11)
Органами управления морского судна, например, являются кормовой руль, носовое подруливающее устройство, винт постоянного шага (производится уравление угловой скоростью вращения винта), винт регулируемого шага (производится управление поворотом лопастей винта), выдвижные боковые рули успокоителя качки и др.The control forces and moments acting on the moving object are determined in block 21 by the output signals of the block 23 of the sensors of the controls of the moving object. These sensors measure the current position K of the controls.
U K (
The controls of the ship, for example, are aft steering wheel, bow thruster, constant-pitch propeller (adjustment is made by the angular speed of rotation of the propeller), adjustable-pitch propeller (the rotation of the propeller blades is controlled), extendable side rudders of the pitching damper, etc.
Для каждого управления Uк могут быть рассчитаны в системе координат Oxyz управляющие силы и управляющие моменты по формулам
fykx Ckx Uk, fyky CkyUk, fykz CkzUk; (12)
Lykx lky fkyz lkz fyky, Lyky lkz fykx lkx fykz,
Lykz lkx fyky lky fykz, (13) где Сkx, Cky, Ckz коэффициенты каждой управляющей силы (гидродинамические коэффициенты и др.), которые являются известными функциями скорости других параметров движения объекта;
lkx, lky, lkz координаты точки приложения К-й управляющей силы в связанной системе координат Oxyz.For each control U k, control forces and control moments can be calculated in the Oxyz coordinate system using the formulas
f ykx C kx U k , f yky C ky U k , f ykz C kz U k ; (12)
L ykx l ky f kyz l kz f yky , L yky l kz f ykx l kx f ykz ,
L ykz l kx f yky l ky f ykz , (13) where С kx , C ky , C kz are the coefficients of each control force (hydrodynamic coefficients, etc.), which are known functions of the speed of other parameters of the object’s movement;
l kx , l ky , l kz coordinates of the point of application of the Kth control force in the associated coordinate system Oxyz.
С учетом формул (11) и (12) составляющие главного вектора управляющих сил по осям системы координат Oxyz имеют следующие выражения:
Fуx Ckxuk, Fуy Ckyuk, Fуz Ckzuk. (14)
С учетом выражений (11), (12) и (13) составляющие главного момента управляющих по осям системы координат имеют следующие выражения:
Lуx Lуkx (lkyCkz-lkzCky)uk,
Lуy Lуky (lkzCkx-lkxCkz)uk, (15) Lуz Lуkz (lkxCky-lkyCkx)uk, Возмущающие силы и моменты, действующие на подвижный объект, определяются в блоке 22 по выходным сигналам блока 20 определения инерционных сил и блока 21 определения управляющих сил, основываясь на следующих очевидных векторных уравнениях:
++=0, (16)
++= 0, (17) где главный вектор волзмущающих сил, действующих на подвижный объект;
главный вектор момента возмущающих сил относительно точки 0.Given formulas (11) and (12), the components of the main vector of control forces Oxyz coordinate system axes have the following expressions:
F yx C kx u k , F yy C ky u k , F уz C kz u k . (fourteen)
Given the expressions (11), (12) and (13), the components of the main moment of the axes of the coordinate system have the following expressions:
L yx L ukx (l ky C kz -l kz C ky ) u k ,
L yy L uky (l kz C kx -l kx C kz ) u k , (15) L уz L ukz (l kx C ky -l ky C kx ) u k , Perturbing forces and moments acting on the moving object are determined in block 22 by the output signals of the inertial force determination unit 20 and the control force determination unit 21, based on the following obvious vector equations:
+ + = 0, (16)
+ + = 0, (17) where the main vector of exciting forces acting on a moving object;
the main vector of the moment of disturbing forces relative to point 0
Из векторных уравнений (16) и (17) в проекциях на оси системы координат Oxyz получаем
Fвх -(Fих + Fyx), Fвy -(Fиy + Fyy),
Fвz -(Fиz + Fyz) (18)
Lвx -(Lиx + Lyx), Lвy -(Lиy + Lyy),
Lвz -(Lиz + Lyz) (19)
Эти формулы реализуются в блоке 22, с выхода которого шесть сигналов
Fвх, Fвy, Fвz, Lвх, Lвy, Lвz (20) поступают на седьмой вход системы 19 управления.From vector equations (16) and (17) in projections on the axis of the coordinate system Oxyz we obtain
F in - - (F them + F yx ), F вy - (F иy + F yy ),
F bz - (F and z + F yz ) (18)
L bx - (L x + L yx ), L by - (L x + L yy ),
L bz - (L and z + L yz ) (19)
These formulas are implemented in block 22, the output of which is six signals
F in , F in , F in , L in , L in , L in (20) are fed to the seventh input of the control system 19.
В системе 19 производится формирование законов управления судном с учетом сигналов возмущающих воздействий, выработанных блоком 22, сигналов параметров движения судна, выработанных базовым модулем 10, и сигналов фактического положения органов управления, выработанных блоком 23. The system 19 is the formation of laws governing the vessel, taking into account the signals of disturbance generated by the block 22, the signals of the parameters of the vessel’s movement generated by the base module 10, and the signals of the actual position of the controls generated by the block 23.
Управление подвижным объектом с учетом возмущающих сил и моментов обеспечивает инвариантность судна к внешним возмущениям, что повышает мореходность судна и создает комфортные условия для экипажа. The control of a moving object, taking into account disturbing forces and moments, ensures the invariance of the vessel to external disturbances, which increases the seaworthiness of the vessel and creates comfortable conditions for the crew.
Предлагаемая комплексная система позволяет также повысить безопасность судовождения благодаря обеспечению возможности определять относительные координаты подвижных объектов, находящихся в заданной ограниченной зоне, а также их производные. В настоящее время относительные координаты (дальность, пеленг) измеряются на судах посредством радиолокатора, который является средством освещения обстановки. В данной комплексной системе предлагается независимо от радиолокатора определять относительные координаты подвижных объектов, в том числе дальность и пеленг, путем получения по каналам навигационной связи абсолютных координат места подвижных объектов и их сравнения с абсолютными координатами места своего подвижного объекта. Вычисления относительных координат и их производных производится в блоке 18 освещения навигационной обстановки, на третий и четвертый входы которого подаются соответственно сигналы текущих координат и составляющих скорости подвижного объекта, а на первый и второй входы подаются соответственно сигналы координат и составляющих скорости другого подвижного объекта, переданные из блока 17 навигационной связи. На первый и второй входы блока 17 поступают сигналы координат и их производных нашего объекта для передачи в эфир и выработки относительных параметров другими подвижными объоектами. The proposed integrated system also improves navigation safety by providing the ability to determine the relative coordinates of moving objects located in a given limited area, as well as their derivatives. Currently, the relative coordinates (range, bearing) are measured on ships by means of a radar, which is a means of lighting the situation. In this complex system, it is proposed, independently of the radar, to determine the relative coordinates of moving objects, including range and bearing, by obtaining the absolute coordinates of the location of moving objects through the navigation communication channels and comparing them with the absolute coordinates of the location of your moving object. Relative coordinates and their derivatives are calculated in the lighting unit 18 of the navigation situation, the third and fourth inputs of which are fed signals of the current coordinates and speed components of the moving object, respectively, and the first and second inputs are respectively signals of the coordinates and speed components of another moving object, transmitted from block 17 navigation communication. The signals of coordinates and their derivatives of our object are transmitted to the first and second inputs of block 17 for broadcasting and generating relative parameters by other moving objects.
Относительные линейные координаты и составляющие скорости
▽Xν, ▽Yν, ▽Zν (ν=1,2.N); (21)
Xν, Yν, Zν (ν=1,2.N) (22) ν-го подвижного объекта по отношению к нашему подвижному объекту определяются по формулам
▽Xν=Xν-X, ▽Yν=Yν-Y, ▽Zν=Zν-Z (ν=1,2.N); (23)
Xν= -, Yν= -, Z=- (ν=1,2.N), (24) где абсолютные координаты ν-го подвижного объекта
, Yν, Zν (ν=1,2.N) (25) и составляющие абсолютной скорости ν-го подвижного объекта
, , (ν=1,2.N) (26) передаются по каналам связи, например по каналам радиосвязи, через спутник связи космической системы "Инморсат".Relative linear coordinates and velocity components
▽ X ν , ▽ Y ν , ▽ Z ν (ν = 1,2.N); (21)
X ν Y ν Z ν (ν = 1,2.N) (22) of the νth moving object with respect to our moving object are determined by the formulas
▽ X ν = X ν -X, ▽ Y ν = Y ν -Y, ▽ Z ν = Z ν -Z (ν = 1,2.N); (23)
X ν = - , Y ν = - , Z = - (ν = 1,2.N), (24) where the absolute coordinates of the νth moving object
, Y ν , Z ν (ν = 1,2.N) (25) and the absolute velocity components of the νth moving object
, , (ν = 1,2.N) (26) are transmitted via communication channels, for example, radio communication channels, through the communication satellite of the Inmorsat space system.
Дальность ν-го подвижного объекта, а также угловые координаты на этот объект определяются в блоке 18 по следующим формулам:
Dν=(▽X
Пν=arcsin , (27)
εν=arcsin .The range of the νth moving object, as well as the angular coordinates for this object, are determined in block 18 using the following formulas:
D ν = (▽
N ν = arcsin , (27)
ε ν = arcsin .
Таким образом, предлагаемая комплексная система навигации, связи, освещения обстановки, управления и контроля обеспечивает повышение безопасности судовождения, улучшение мореходности судна и контроля его прочностных характеристик на базе получаемой от инерциально-спутниковых модулей точной, достоверной и наиболее полной информации о движении и состоянии судна, обработанной вновь введенными блоками по собственным алгоритмам. Thus, the proposed integrated navigation, communication, lighting, control and monitoring system provides improved navigation safety, improved seaworthiness of the vessel and control of its strength characteristics on the basis of accurate, reliable and most complete information about the movement and condition of the vessel received from inertial-satellite modules, processed by newly entered blocks according to its own algorithms.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SU5051877 RU2036432C1 (en) | 1992-07-07 | 1992-07-07 | Inertial satellite module and complex inertial satellite system for navigation, communication, location illumination and control |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SU5051877 RU2036432C1 (en) | 1992-07-07 | 1992-07-07 | Inertial satellite module and complex inertial satellite system for navigation, communication, location illumination and control |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2036432C1 true RU2036432C1 (en) | 1995-05-27 |
Family
ID=21609090
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| SU5051877 RU2036432C1 (en) | 1992-07-07 | 1992-07-07 | Inertial satellite module and complex inertial satellite system for navigation, communication, location illumination and control |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2036432C1 (en) |
Cited By (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2123665C1 (en) * | 1997-05-28 | 1998-12-20 | Центральный научно-исследовательский институт им.академика А.Н.Крылова | Platform-free inertial navigation system of submersible vehicle |
| RU2313067C2 (en) * | 2005-12-27 | 2007-12-20 | Виктор Петрович Напольский | Method of determination of flying vehicle navigational parameters and device for realization of this method |
| RU2327112C2 (en) * | 2006-01-26 | 2008-06-20 | Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" | Device for selection of observation object from space vehicle |
| RU2428659C2 (en) * | 2008-05-27 | 2011-09-10 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Государственный Научно-Исследовательский Навигационно-Гидрографический Институт Министерства Обороны Российской Федерации" (Гнинги Мо Рф) | Method for satellite correction of gyroscopic navigation systems of naval objects |
| RU2444782C2 (en) * | 2010-04-23 | 2012-03-10 | Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Промышленности И Торговли Российской Федерации | Apparatus for automated processing of ship navigation data |
| RU2475704C1 (en) * | 2011-09-02 | 2013-02-20 | Борис Павлович Калинин | Track tachograph |
| RU2498216C1 (en) * | 2012-05-25 | 2013-11-10 | Открытое акционерное общество "Военно-промышленная корпорация "Научно-производственное объединение машиностроения" | Gyrocompass system of orientation of artificial earth satellite |
| CN103542816A (en) * | 2013-10-16 | 2014-01-29 | 哈尔滨工程大学 | Time delay compensation based hull deformation measurement method |
| RU2561252C1 (en) * | 2014-02-07 | 2015-08-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана" | Selective navigation system |
| RU2593378C1 (en) * | 2015-06-23 | 2016-08-10 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева" (НГТУ) | Method and apparatus for adaptive radio communication |
| RU2593432C1 (en) * | 2015-05-19 | 2016-08-10 | Акционерное общество "Московский институт электромеханики и автоматики" (АО "МИЭА") | Method of increasing accuracy of strapdown inertial navigation system |
| CN106403943A (en) * | 2016-05-31 | 2017-02-15 | 中国人民解放军理工大学 | Inertial attitude matching measurement method based on adaptive compensation of inertial angular increment |
-
1992
- 1992-07-07 RU SU5051877 patent/RU2036432C1/en active
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| Бородин В.Т. и др. Пилотажные комплексы и системы управления самолетов и вертолетов. М.: Машиностроение, 1978, с.87-89. * |
| Радиоэлектроника за рубежом, 1989, N 1, с.86-89. * |
Cited By (15)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2123665C1 (en) * | 1997-05-28 | 1998-12-20 | Центральный научно-исследовательский институт им.академика А.Н.Крылова | Platform-free inertial navigation system of submersible vehicle |
| RU2313067C2 (en) * | 2005-12-27 | 2007-12-20 | Виктор Петрович Напольский | Method of determination of flying vehicle navigational parameters and device for realization of this method |
| RU2327112C2 (en) * | 2006-01-26 | 2008-06-20 | Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" | Device for selection of observation object from space vehicle |
| RU2428659C2 (en) * | 2008-05-27 | 2011-09-10 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Государственный Научно-Исследовательский Навигационно-Гидрографический Институт Министерства Обороны Российской Федерации" (Гнинги Мо Рф) | Method for satellite correction of gyroscopic navigation systems of naval objects |
| RU2444782C2 (en) * | 2010-04-23 | 2012-03-10 | Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Промышленности И Торговли Российской Федерации | Apparatus for automated processing of ship navigation data |
| WO2013032364A1 (en) | 2011-09-02 | 2013-03-07 | Федеральное Государственное Бюджетное Учреждение "Федеральное Агентство По Правовой Защите Результатов Интеллектуальной Деятельности Военного, Специального И Двойного Назначения" (Фгбу "Фаприд") | "tracking tachograph" combined transport safety instrument |
| RU2475704C1 (en) * | 2011-09-02 | 2013-02-20 | Борис Павлович Калинин | Track tachograph |
| RU2498216C1 (en) * | 2012-05-25 | 2013-11-10 | Открытое акционерное общество "Военно-промышленная корпорация "Научно-производственное объединение машиностроения" | Gyrocompass system of orientation of artificial earth satellite |
| CN103542816A (en) * | 2013-10-16 | 2014-01-29 | 哈尔滨工程大学 | Time delay compensation based hull deformation measurement method |
| CN103542816B (en) * | 2013-10-16 | 2016-07-06 | 哈尔滨工程大学 | Deformation of hull measuring method based on time delay equalization |
| RU2561252C1 (en) * | 2014-02-07 | 2015-08-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана" | Selective navigation system |
| RU2593432C1 (en) * | 2015-05-19 | 2016-08-10 | Акционерное общество "Московский институт электромеханики и автоматики" (АО "МИЭА") | Method of increasing accuracy of strapdown inertial navigation system |
| RU2593378C1 (en) * | 2015-06-23 | 2016-08-10 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева" (НГТУ) | Method and apparatus for adaptive radio communication |
| CN106403943A (en) * | 2016-05-31 | 2017-02-15 | 中国人民解放军理工大学 | Inertial attitude matching measurement method based on adaptive compensation of inertial angular increment |
| CN106403943B (en) * | 2016-05-31 | 2019-08-09 | 中国人民解放军理工大学 | Inertial Attitude Matching Measurement Method Based on Adaptive Compensation of Inertial Angle Increment |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4315326A (en) | Inertial measurement underwater tracking system | |
| RU2483280C1 (en) | Navigation system | |
| CN111947651B (en) | Underwater integrated navigation information fusion method, system and autonomous underwater vehicle | |
| RU2036432C1 (en) | Inertial satellite module and complex inertial satellite system for navigation, communication, location illumination and control | |
| CN210719199U (en) | Multi-equipment combined navigation system of underwater robot | |
| CN102252677A (en) | Time series analysis-based variable proportion self-adaptive federal filtering method | |
| CA1093662A (en) | Shipboard reference for an aircraft navigation system | |
| CN103744098A (en) | Ship's inertial navigation system (SINS)/Doppler velocity log (DVL)/global positioning system (GPS)-based autonomous underwater vehicle (AUV) combined navigation system | |
| JP6567665B2 (en) | A method for estimating each drift (floating) vector at all points in a ship's route | |
| RU2483327C2 (en) | Integrated system for navigation and controlling movement for self-contained unmanned underwater vehicles | |
| US5708626A (en) | Trajectory measurement system for underwater vehicles | |
| Li et al. | Adaptively robust filtering algorithm for maritime celestial navigation | |
| Ueno | A GPS-based system for precise shipping guidance and control | |
| NO304046B1 (en) | Gyro apparatus | |
| Zhang et al. | Experimental study on underwater moving gravity measurement by using strapdown gravimeter based on AUV platform | |
| RU2221728C1 (en) | Ship motion automatic control equipment | |
| RU2348011C1 (en) | Navigation system | |
| Wang et al. | Study on the observability degree of integrated inertial navigation system of autonomous underwater vehicle | |
| CN110954097A (en) | Navigation positioning method for robot combination | |
| RU198953U1 (en) | DEVICE FOR DETERMINING VESSEL MOVEMENT PARAMETERS | |
| Inzartsev et al. | Integrated positioning system of autonomous underwater robot and its application in high latitudes of arctic zone | |
| RU165915U1 (en) | SYSTEM OF AUTOMATIC WIRING OF VESSELS ON A PRESENT MOTION TRAJECTORY | |
| RU2293950C1 (en) | Flying vehicle navigation complex | |
| Ueno | Use of GPS for a berthing guidance system | |
| RU199284U1 (en) | DEVICE FOR DETERMINING VESSEL MOVEMENT PARAMETERS |