ИНТЕГРИРОВАННАЯ ИНЕРЦИАЛЬНО-СПУТНИКОВАЯ СИСТЕМА ОРИЕНТАЦИИ И НАВИГАЦИИ ДЛЯ МОРСКИХ ОБЪЕКТОВ

Изобретение относится к области навигационного приборостроения морских подвижных объектов.

Одной из проблем на пути создания малогабаритной интегрированной системы ориентации и навигации (ИСОН) для морских объектов на базе бескарданного инерциального измерительного модуля (БИИМ), содержащего измерительный блок (ИБ) низкого уровня точности (например, на микромеханических гироскопах (ММГ), нестабильность дрейфов которых составляет 0,01%) и приемную аппаратуру спутниковых навигационных систем (ПА СНС), является проблема обеспечения требований по точности выработки курса. Так, для обеспечения навигационной безопасности плавания морских судов требования по курсу составляют: ±0.75° sec φ - установившаяся погрешность для неподвижного основания и ±(2…3)° - при маневрировании в широтах φ≤60° (согласно резолюции ИМО А.424(Х1) от 15.11.1979 и А.821 (ХIХ) от 23.11.1995 для гирокомпасов).

Проблему обеспечения требований по курсу в ИСОН с БИИМ низкого уровня точности в последнее время пытаются решить, в частности, за счет создания для подвижных объектов ПА СНС с фазовыми измерениями и разнесенными антеннами.

Способы определения параметров ориентации объекта, основанные на использовании в ПА СНС фазовых измерений с разнесенных на объекте антенн, приведены в заявке РФ №98118543 на выдачу патента на изобретение; патентах РФ №2215299; №2276384.

Известна интегрированная система Seapath 200 норвежской фирмы Seatex AS для морских судов, которая использует мультиантенную ПА СНС с фазовыми измерениями на несущей частоте ([http://www.km.kongsberg.com]).

Из отечественных разработок следует выделить аналогичную мультиантенную ПА СНС МРК-32, использующую фазовые измерения (разработка Красноярского государственного технического университета и НИИ радиотехники [http://www.krtz.su]).

Известны схемы построения ИСОН, например, описанные в:

- ([http://www.km.kongsberg.com]);

- Интегрированная инерциально-спутниковая система ориентации и навигации с разнесенными антеннами // Сб.: Интегрированные инерциально-спутниковые системы навигации // СПб: изд-во ФГУП ЦНИИ «Электроприбор», 2001, С.222-229;

- Интегрированная система спутниковой и инерциальной навигации: экспериментальные результаты и применение к управлению мобильными роботами// Гироскопия и навигация, 2007, №1(56), С.16-28.

В качестве ближайшего аналога (прототипа) предлагаемой ИСОН принимается система, описанная в ([http://www.km.kongsberg.com]).

В этих системах используется мультиантенная ПА СНС с фазовыми измерениями, обеспечивающая с определенной дискретностью автономную выработку параметров ориентации объекта в течение всего времени движения объекта (плавания судна).

Определение параметров ориентации объекта ПА СНС с использованием фазовых измерений, как известно, требует решения проблемы их неоднозначности в условиях движения объекта [Степанов О.А., Кошаев Д.А. Исследование методов решения задачи ориентации с использованием спутниковых систем // Гироскопия и навигация, 1999, №2(25), С.30-55]. Однако решение данной задачи не всегда обеспечивается в условиях маневрирования судна и наличия помех.

Перечень фигур и чертежей

На фигуре 1 изображена структурная схема предлагаемой ИСОН. Фигуры 2а-2г и 3а-3в иллюстрируют результаты оценки точности ИСОН путем решения задачи моделирования ИСОН по данным, имитирующим показания чувствительных элементов ИСОН, спутниковой аппаратуры, лага, и по реальным данным ходовых испытаний на автомобиле инерциального модуля.

На фигуре 1 приняты следующие обозначения:

1 - модуль приемников сигналов спутниковых навигационных систем;

2 - ИБ на ММД и магнитометрах, входящий в состав БИИМ;

3 - вычислитель БИИМ;

4 - вычислительный модуль интегрированной системы;

5 - приемник дифференциальных поправок (Differential Global Positioning System, DGPS);

6 - измеритель относительной скорости судна (лаг);

7 - высокоточный волоконно-оптический гироскоп (ВОГ), входящий в состав БИИМ;

ММГ - микромеханический гироскоп;

К - курс от инерциального модуля;

K_mk - курс магнитный;

ψ,θ - углы качки;

∇h - вертикальные перемещения судна;

, , - оценки погрешностей по курсу и углам качки;

GPS - спутниковая глобальная система позиционирования.

Цифрами в скобках обозначены соответствующие входы и выходы блоков.

На фигурах 2а-2г и 3а-3в приняты следующие обозначения:

ΔК, Δψ, Δθ - погрешности ИСОН по курсу и углам качки;

- погрешности оценки смещения нуля курса, вырабатываемого по данным блока магнитометрических датчиков;

, , - погрешности оценок смещений нулей ММГ (оси xb, yb) и ВОГ (ось zb);

- оценки смещений нулей ММГ (оси xb, yb) и ВОГ (ось zb).

К недостаткам принятой за прототип схемы построения ИСОН следует отнести необходимость одновременного и непрерывного наблюдения в течение всего времени плавания судна группировки навигационных спутников (НС_i, i - индекс спутника) с целью разрешения проблемы неоднозначности фазовых измерений. Невыполнение данного требования в условиях маневрирования судна приводит к сбоям в выходных данных ПА СНС и, следовательно, к существенным погрешностям ИСОН по курсу.

Задачей изобретения является повышение точности и помехоустойчивости ИСОН, содержащей БИИМ с измерительным блоком на «грубых» датчиках типа ММГ и микромеханических акселерометрах (ММА) и блоке магнитометров, а также ПА СНС с фазовыми измерениями и разнесенными на соответствующей базе антеннами, в выработке курса объекта.

Поставленная задача решается тем, что:

- в БИИМ, содержащий ИБ на микромеханических датчиках и магнитометрах (ИБ на ММД и магнитометрах) (оси: х_b, y_b, z_b; при этом ось z_b - ортогональна плоскости палубы), по оси z_b дополнительно вводится гироскоп навигационного класса - датчик угловой скорости, например, ВОГ;

- БИИМ кроме параметров ориентации (курс и углы качки) осуществляет дополнительно выработку составляющих вектора линейной скорости и координат места объекта;

- в вычислительный модуль системы дополнительно поступают данные от судового лага для формирования совместно с данными от блока магнитометров соответствующих разностных измерений (см. формулы 2, 6) и их обработки с целью реализации автономного режима работы ИСОН;

- данные встроенных в корпусе БИИМ двух плат приемников СНС используются при начальном запуске ИСОН в течение порядка 5…10 мин с целью определения начального значения курса судна и калибровки ВОГ, а также периодически в процессе эксплуатации при движении судна с постоянным курсом и видимости навигационных спутников используется информация от приемников СНС. Следует заметить, что всегда имеется возможность, например, в условиях ледовой обстановки (когда лаг функционирует неэффективно) или при отсутствии на данном судне информационной связи ИСОН с лагом, привлечь вместо данных лага данные СНС по скорости.

Предлагаемая структура ИСОН (см. фиг.1) включает:

- БИИМ, содержащий измерительный блок 2 (ИБ на ММД и магнитометрах), ВОГ навигационного класса с измерительной осью, ортогональной плоскости палубы (блок 7), вычислитель БИИМ (блок 3);

1 - приемники СНС с фазовыми измерениями и разнесенными на соответствующей базе антеннами;

4 - вычислительный модуль интегрированной системы, входы которого соединены с выходами БИИМ по курсу и курсу магнитному, углам качки, по составляющим вектора линейной скорости и координатам места, а также с выходами приемников СНС 1 по навигационным параметрам и фазе несущей сигналов, принимаемых от навигационных спутников. Кроме того, вычислительный модуль 4 интегрированной системы имеет дополнительный вход для приема данных от судового лага 6. На выходе вычислительного модуля 4 формируются оценки погрешностей БИИМ по курсу, курсу магнитному, углам качки, скорости, координатам места, а также дрейфам ММГ и ВОГ для использования их в обратной связи с целью коррекции БИИМ.

Отличие предлагаемой схемы ИСОН от прототипа заключается:

- во введении в состав БИИМ ВОГ навигационного класса точности с измерительной осью, ортогональной плоскости палубы (блок 7);

- в выработке БИИМ дополнительно составляющих вектора линейной скорости, координат места объекта и подачи их на вход вычислительного модуля интегрированной системы 4;

- в наличии у вычислительного модуля интегрированной системы (блок 4) дополнительного входа для приема данных судового лага (блок 6);

- в оценке погрешностей БИИМ по составляющим вектора линейной скорости, а также дрейфам ММГ и ВОГ и использовании их в обратной связи с целью коррекции БИИМ;

- в использовании данных модуля приемников СНС 1 с фазовыми измерениями и разнесенными на соответствующей базе антеннами, предназначенных для выработки курса судна только для начальной выставки БИИМ по курсу в течение нескольких минут и периодически в море при движении постоянным курсом и отсутствии помех.

Алгоритмическое обеспечение вычислителя БИИМ 3 и вычислительного модуля системы 4 практически аналогично алгоритмам работы соответствующих блоков прототипа. Отличие блока 3 от прототипа заключается в обработке дополнительных данных ВОГ 7. Отличие вычислительного модуля интегрированной системы 4 от аналогичного блока в прототипе заключается в обработке дополнительных разностных измерений, формируемых с использованием данных лага 6, которые поступают на вход вычислительного модуля 4 в автономном режиме работы интегрированной системы.

Сущность предлагаемого решения сводится к следующему.

Известно, что при запуске гирогоризонткомпаса (ГГК) или инерциальной курсовертикали (в авиации) система проходит два режима: режим горизонтирования (построение вертикали места) и режим гирокомпасирования (нахождение плоскости меридиана места). Для этого привлекаются разностные скоростные измерения:

где , (i=E,N) - составляющие линейной скорости, поступающие соответственно от инерциального модуля (ГГК) и внешнего измерителя (ПА СНС или лага). Для неподвижного объекта значение эталонной скорости равно нулю.

При использовании скорости V_л от лага имеем

Данные измерения можно приближенно представить в виде

где ΔV_E,V - погрешности выработки системой составляющих линейной скорости судна; ν_Vi - шумы измерений (при использовании лага включают морские течения, неизмеряемую поперечную составляющую вектора линейной скорости судна и инструментальные погрешности лага); β, γ - погрешности построения вертикали места, содержащие шулеровские колебания и характеризующие погрешности выработки ГГК углов качки (Δψ, Δθ); ΔК - погрешность по курсу; δ_E, δ_N - дрейфы инерциального модуля в проекциях на географические оси; R - радиус Земли; ω_N - проекция абсолютной скорости вращения навигационного сопровождающего трехгранника с географической ориентацией осей на собственную ось, образуемую при пересечении плоскости меридиана места и плоскости горизонта и направленную на географический север.

Известно, что наличие в измерениях (3) слагаемых, пропорциональных , , обеспечивает при формировании соответствующих управлений в ГГК реализацию режима горизонтирования (жесткое демпфирование шулеровских колебаний в погрешностях вертикали в течение 1…2 мин). Присутствие же слагаемого ω_NΔK в (где ω_N=Ωcosφ+V_E/R, Ω - угловая скорость суточного вращения Земли) обеспечивает в ГГК реализацию режима гирокомпасирования (время переходного процесса при минимизации погрешности по курсу обычно составляет около 10…15 мин.).

Однако в режиме гирокомпасирования начальная погрешность ГГК по курсу списывается только до уровня , обусловленного значением «восточного» дрейфа (при в средних широтах). При этом изменчивость погрешности по курсу зависит также и от дрейфа инерциального модуля вокруг вертикальной оси:

где u_α - управление в азимутальном канале, обеспечивающее режим гирокомпасирования.

Согласно приведенному выражению (3) «восточный» дрейф ГГК на фоне начальной погрешности ΔK₀ по курсу является ненаблюдаемым, то есть из скоростных измерений нельзя оценить «восточный» дрейф ГГК при наличии начальной погрешности по курсу.

Обычно данная проблема решается следующим образом:

- в составе ГГК используются достаточно точные гироскопы (0.01…0.03°/ч), чтобы исключить необходимость калибровки «восточного» дрейфа при запуске системы. Однако использование точных гироскопов приводит к существенной стоимости системы;

- при использовании в ГГК менее точных гироскопов (1…3°/ч) применяется модуляционное вращение измерительного блока для компенсации дрейфов гироскопов, что увеличивает массогабаритные характеристики, стоимость и снижает надежность;

- применяются прямые курсовые измерения с использованием мультиантенной ПА СНС для непрерывной коррекции курса в случае применения инерциального модуля на грубых гироскопах типа ММГ, что приводит к снижению уровня безопасности плавания в стесненных водах.

В предлагаемом решении данная проблема разрешается следующим образом:

- в вычислительном модуле интегрированной системы 4 формируются разностные фазовые измерения путем сравнения расчетных (вычисленных в блоке 4 по данным БИИМ и эфемерид навигационных спутников) и измеренных (по данным приемников СНС от разнесенных на базе антенн блока 1) значений вторых разностей фазовых измерений

(данные измерения содержат в основном погрешности решения вычислителем БИИМ 3 задачи ориентации объекта, неоднозначности вторых разностей фазовых измерений, погрешности ориентации базы и шумы измерений);

- разностные скоростные измерения , (2), формируемые как в условиях неподвижного судна (значение эталонной скорости равно нулю), так и при его движении с использованием данных лага 6, используются в вычислительном модуле 4 для непрерывного обеспечения функционирования режимов горизонтирования и гирокомпасирования. При этом (после оценки и коррекции начальной погрешности по курсу до уровня , смещения нуля ВОГ) по данным скоростных измерений при наличии маневрирования по курсу обеспечивается наблюдаемость и оценка текущей погрешности по курсу и дрейфов δ_xb, δ_yb ММГ измерительного блока 2;

- по данным измерительного блока 2, высокоточного ВОГ 7 и вычислителя БИИМ 3 в вычислительном модуле 4 интегрированной системы формируется курсовое измерение

где К, К_mk - курс от инерциального модуля измерительного блока 2 и высокоточного ВОГ 7 и курс магнитный - от МД измерительного блока 2, формируемый по данным магнитометров.

Для условий морского объекта вследствие ограниченности углов качки «восточный» дрейф δ_E предлагаемой ИСОН будет обусловлен в основном дрейфами ММГ измерительного блока 2 по осям x_b, y_b, а дрейф δ_H вокруг вертикальной оси - дрейфом δ_zb ВОГ 7.

Измерения (5) совместно с измерениями (2) и (6) используются вычислительным модулем 4 интегрированной системы в течение 5…10 мин при запуске системы для оценки и коррекции начальной погрешности ΔK₀ по курсу, калибровки дрейфа ВОГ 7 и оценки систематической погрешности ΔК_mk (склонения и девиации) магнитного курса магнитометра измерительного блока 2.

В процессе плавания судна измерения (2) и (6) при учете смещения ΔK_mk МД, оценка которого ранее была получена с использованием данных СНС в вычислительном модуле 4, обеспечивают устойчивую работу ИСОН в автономном режиме. При этом осуществляется оценка и коррекция погрешности БИИМ по курсу, оценка дрейфов ММГ измерительного блока 2 и ВОГ 7.

Фазовые измерения блока 1 ПА СНС привлекаются периодически в процессе эксплуатации в условиях отсутствия «сбоев» (как правило, при движении судна с постоянным курсом) и видимости навигационных спутников для уточнения смещения ΔK_mk курса магнитного от МД измерительного блока 2.

Произведено моделирование на ПК алгоритмов работы ИСОН с оценкой погрешностей при следующих исходных данных:

движение судна:

Vo=20 м/с, K₀=40°, К_r=1.5°, T_k=15 с (рысканье); ψ₀=3° (дифферент); ψ_r=3°, Т_ψ=12 с (килевая качка); θ₀=6° (крен); θ_r=20°, T_ψ=10 с (бортовая качка); модель погрешностей ММА:

- нестабильность масштабных коэффициентов линейных акселерометров - случайные величины с уровнем 1%;

- смещение нулей линейных акселерометров - случайные величины с уровнем 0.1 м/с²;

- дрейфы нулей линейных акселерометров - марковские процессы первого порядка σ1_ai=0.03 м/с², µ_ai=1/180 (с^-1);

- флуктуационные составляющие погрешностей акселерометров в проекциях на оси ИБ - дискретные белые шумы σ2_аi=0.3 м/с² на частоте 100 Гц;

- неортогональности измерительных осей - 1 угл. мин;

модель погрешностей ММГ:

- нестабильность масштабных коэффициентов - случайные величины с уровнем 1%;

- систематические составляющие дрейфов, которые характеризуют смещение нулей от пуска к пуску - случайные величины с уровнем 300°/ч;

- случайные составляющие дрейфов, которые характеризуют дрейф нуля в пуске - марковские процессы первого порядка σ1_gi=100°/ч, µ_gi=1/180 (с^-1);

- флуктуационные составляющие дрейфов - дискретные белые шумы σ2_gi=300°/ч; на частоте 100 Гц;

модель погрешностей ВОГ ВГ035ПД (ЗАО «Физоптика»):

- смещение нуля от пуска к пуску - до 10°/ч;

- нестабильность нуля в пуске 0.3…1.0°/ч, Ткор.=180 с (при термокомпенсации);

- шумовая составляющая около 7°/ч на частоте 100 Гц;

- погрешность масштабного коэффициента на уровне 0.1%;

- неортогональность измерительной оси (осям ИБ на ММД) - 1 угл.мин;

погрешности блока магнитометров в выработке курса магнитного:

- смещение нуля - случайная величина с уровнем 5 град.;

- случайная составляющая - марковский процесс первого порядка σ1_mk=0.1 град., µ_gi=1/180 (с^-1);

- флуктуационная составляющая - дискретный белый шум σ2_mk=5 град. на частоте 100 Гц;

погрешности лага и морские течения:

- инструментальные погрешности лага аппроксимированы дискретными белыми шумами σ_л=0.1 м/с;

- северная и восточная составляющие скорости течения V_TE, V_TN - марковские процессы первого порядка σ_T=0.2…0.3 м/с, µ_T=1/5400 с^-1;

начальные погрешности системы:

; β₀=-0.3°; γ₀=0.3°;

ΔV_E0=0.1 м/с; ΔV_N0=-0.1 м/с; ΔV_H0=0.1 м/с;

Δφ_o=30 м; Δλ_o=-30 м; Δh_o=0.5 м;

формирование и обработка в фильтре Калмана вычислительного модуля 4 интегрированной системы фазовых измерений от приемников СНС осуществлялась по слабосвязанной схеме, т.е. по данным СНС предварительно вычислялись текущие значения курса судна.

Расчетная модель погрешностей

С учетом принятых допущений расчетная модель погрешностей ИСОН будет иметь вид

где

- вектор состояния системы, ΔK, β, γ - погрешности выработки курса и построения вертикали места; ΔV_E, ΔV_N, ΔV_H - погрешности в выработке составляющих вектора относительной линейной скорости объекта в проекциях на географические оси; Δφ, Δλ, Δh - погрешности выработки географических координат места (по широте, долготе и высоте); - смещения нулей ММГ и ВОГ; - смещения нулей ММА; ΔM_gi(i=xb,yb,zb) - систематические составляющие погрешностей масштабных коэффициентов ММГ и ВОГ; V_Ti(i=E,N) - составляющие морских течений; - систематическая погрешность МД; Ф_k/k+1 - переходная на шаге формирования измерений матрица состояния системы; Г_k+1≅Ф_k+1·dT - матрица, определяющая влияние вектора входных шумов w_k с ковариациями Q_k; Н_k+1 - матрица измерений, соответствующая уравнениям (2), (5) и (6).

Результаты решения модельной задачи (при имитации показаний ВОГ ВГ035ПД) приведены на фиг.2а-2г. Моделирование проводилось при задании следующего режима работы ИСОН: режим гирокомпасирования (10 мин - с использованием GPS), затем автономный режим (с лагом и МД).

Объектовые испытания

Для оценки точности автономного режима ИСОН привлекались также реальные данные ходовых испытаний на автомобиле инерциального модуля на основе ММД (фирма Analog Devices), ВОГ ВГ910Ф (ЗАО «Физоптика») и ВОГ навигационного класса (фирма IXSEA). Блок магнитометров отсутствовал.

Массивы данных были записаны на частоте 100 Гц.

Данные лага с учетом влияния морских течений имитировались так же, как и при решении модельной задачи.

Обработка массивов данных производилась по дискретным алгоритмам автономного режима работы ИСОН, реализованным в пакете MATLAB (Simulink).

Для эталонирования по курсу и углам качки использовалась спутниковая мультиантенная ПА СНС МРК-32 (разработка Красноярского государственного технического университета и НИИ радиотехники [http://www.krtz.su/]).

Результаты испытаний

Результаты обработки данных испытаний приведены на фиг.3а-3в (решение осуществлялось на ПК в пакете MATLAB (Simulink)). Моделирование проводилось при задании следующего режима работы ИСОН: режим гирокомпасирования (10 мин - с использованием ПА СНС), затем автономный режим с лагом.

Таким образом, предложенное устройство, работающее в автономном режиме, обеспечивает устойчивую выработку курса без использования данных ПА СНС в течение длительных интервалов времени с погрешностью, удовлетворяющей требованиям Морского и Речного Регистров.

Кроме того, нет необходимости в непрерывном использовании мультиантенной ПА СНС для выработки курса судна в процессе его плавания (что характерно для прототипа), что обеспечивает повышение уровня безопасности плавания в стесненных водах (узкостях, прибрежной зоне, в гаванях с интенсивным движением), где возможны частые «сбои» ПА СНС из-за помех при маневрировании.