Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ НА ОСНОВЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДВУХ ДИРЕКЦИОННЫХ УГЛОВ И ОДНОГО УГЛА МЕСТА

Изобретение относится к области обнаружения и определения координат летательных аппаратов и может быть использовано в военной технике.

Известны различные способы определения координат объектов с использованием способов передачи и приема радиосигналов наземных радиомаяков (патент РФ №2436232) и способ триангуляции целей (патент РФ №2423720) [1, 2]. Недостатками данных способов является сложность обработки информации полученной от пунктов обнаружения объектов, использование только активного радиолокационного диапазона электромагнитных волн.

Способ автоматизированного определения координат беспилотных летательных аппаратов (патент РФ №2523446 - прототип) [3] заключается в применении камер кругового обзора, видеомонитора, ориентированного в пространстве, ЭВМ и лазерного дальномера для подсветки летательного аппарата, отличается тем, что камеры кругового обзора размещены симметрично и направлены в разные стороны, так чтобы вести наблюдение на 360° в оптическом диапазоне электромагнитных волн днем и ночью, и появление летательного аппарата фиксируется автоматически как помеха, возникающая на кадре видеопоследовательности относительно предыдущего, а полученные данные обрабатываются на ЭВМ, где вырабатываются угловые значения местонахождения летательного аппарата по высоте по горизонту относительно центра углоизмерительного устройства, которое с помощью поворотных механизмов направляет лазерный дальномер на летательный аппарат для измерения дальности до него, затем измеренная дальность от летательного аппарата поступает на устройство обработки и отображения информации (ЭВМ), где происходит автоматизирование определение пространственных координат Х_БЛА, У_БЛА, Z_БЛА летательного аппарата.

Основными недостатками являются демаскирующая составляющая данного способа, связанная с использованием лазерного излучения, что снижает эффективность использования приведенного способа по обнаружению и определению пространственных координат летательных аппаратов в скрытом режиме работы, а также большие ошибки поворотных механизмов в процессе наведения лазерного дальномера и обработки полученной информации.

Как общий недостаток данных способов определения координат летательных аппаратов - неполное использование данных измерений и как следствие немаксимальная точность.

Задачей, стоящей перед настоящим изобретением, является повышение точности определения координат летательных аппаратов и уменьшение времени на обработку полученной информации в пассивном и активном режимах работы.

Поставленная задача решается следующим образом.

В настоящее время пеленгационный метод определения координат объектов широко распространен в практике оптических и радиолокационных внешнетраекторных измерений. Он основан на измерении угловых координат объекта в горизонтальной (азимут или дирекционный угол) и вертикальной (угол места) плоскостях (фиг. 1). В этом случае достаточно двух измерительных пунктов (ИП), чтобы однозначно определить пространственные координаты летательного аппарата.

В результате измерений с двух ИП определяются величины дирекционных углов и углов места (α₁; ε₁) и (α₂; ε₂), по которым пересчитываются координаты объекта в прямоугольной геодезической системе координат.

где Б - база, т.е. расстояние между ИП;

А_Х - азимут (дирекционный угол) с одного ИП на другой.

Дальнейшие обязательно синхронные измерения этих углов позволяют вычислять координаты объекта, относящиеся к последующим моментам времени.

Но уже в этом случае обращает на себя внимание тот факт, что в совокупности измеряемых параметров, которые составляет четверка чисел, содержится определенная избыточность данных, так как минимальная информация, необходимая для определения положения центра масс объекта (летательного аппарата) в любой СК, должна содержать три независимых измерения. Также об этом говорит то, что число степеней свободы материальной точки равно трем. Это обстоятельство подтверждается и видом указанных выше зависимостей, которые в качестве аргументов содержат лишь три величины (A₁, A₂, ε₁). Обычно четвертый параметр либо совсем отбрасывается, либо в лучшем случае используется для контроля. Однако и в том и другом случае информация теряется.

Из теории известно, что пара чисел (α; ε) геометрически однозначно определяет прямую в пространстве. При наличии двух измерительных пунктов таких прямых можно построить две. Данные прямые пересекаются в точке, где в момент засечки находится объект. Однако при наличии ошибок измерений прямые ИП_i-О в общем случае не пересекутся в одной точке, а будут являться скрещивающимися. Истинное положение объекта будет определяться некоторой областью пространства, которая будет тем больше, чем ниже точность измерений величин (A_i, ε_i). Повышения достоверности результатов можно добиться, увеличивая число ИП, но в этом случае использовать классические зависимости (1) не представляется возможным. Таким образом, необходимо искать иные пути обработки результатов ВТИ.

Минимальная информация, необходимая для определения положения центра масс объекта (летательного аппарата) в любой СК, должна содержать три независимых измерения.

В дальнейшем задача сводится к пересчету тройки исходных величин сферической СК в тройку искомых величин прямоугольной СК. Число возможных сочетаний троек чисел из четырех равно С³ ₄=4. Здесь возможны два принципиально разных геометрических подхода к решению задачи определения объекта.

Из четырех измеренных величин выберем (α₁; ε₁; α₂) или (α₁; α₂; ε₂). Из них две величины (α₁; ε₁) определяют линию, проходящую через ИΠ₁ в направлении на объект. Геометрическим местом точек, для которых величина α₂=cosnt, есть вертикальная плоскость, проходящая через ИП₂ (фиг. 2). Таким образом, положение объекта будет определяться точкой пересечения прямой и плоскости.

В общем случае плоскость и прямая в пространстве могут располагаться одним из следующих образов.

1. Прямая принадлежит плоскости. В этом случае общих точек у этих объектов будет бесконечное множество.

2. Прямая параллельна плоскости, но не принадлежит ей. В этом случае общих точек у этих объектов нет.

3. Прямая пересекает плоскость. В этом случае прямая и плоскость имеют одну общую точку.

Определим координаты летательного аппарата в ГСК X_гh_гY_г, используя для этого минимум необходимой информации, т.е. три независимые величины, например (α₁; α₂; ε₂). Составим уравнение вертикальной плоскости (1), проходящей через ИП₁ в направлении α₁. С этой целью рассмотрим единичный горизонтальный вектор А (фиг.2). Проекции этого вектора на оси ГСК будут равны (cos α₁; 0; sinα₁). Единичный вертикальный вектор будет иметь координаты (0; 1; 0). Вектора принадлежат вертикальной плоскости (1), тогда нормаль этой плоскости

n=A×B=(-sin α₁; 0; cosα₁).

Вектор с началом в точке ИП₁ и с концом в произвольной точке M(x; h; y), принадлежащей плоскости (1), будет иметь координаты (x-x₁; h-h₁; y-y₁). Здесь индекс «Г» опущен. Он ортогонален нормали плоскости n, поэтому их скалярное произведение равно нулю, т.е.

-sinα₁(x-x₁)+0(h-h₁)+cosα₁(y-y₁)=-х·sinα₁+y·cosα₁+

+(x₁sinα₁-y₁cosα₁)=0.

Т.к. каноническое уравнение плоскости имеет вид:

Ax+By+Cz+D=0,

а в условиях решаемой задачи

Ax+Bh+Cy+D=0,

то

А=-sinα-1; В=0; C=cosα₁; D=x₁sinα₁-y₁cosα₁.

Определим уравнение прямой, проходящей через ИП₂ в направлении на летательный аппарат и задаваемой величинами α₂ и ε₂. Для этого рассмотрим единичный вектор С. Его проекции на оси ГСК равны (cosε₂cosα₂; sinε₂; cosε₂sinα₂). Таким образом, уравнение искомой прямой запишется в виде:

Т.к. каноническое уравнение прямой имеет вид:

(x-a)/m=(y-b)/n=(z-c)/p,

где (а; b; с) - координаты точки, принадлежащей прямой;

(m; n; p) - координаты вектора, параллельного прямой, то в условиях решаемой задачи:

(x-a)/m=(h-b)/n=(y-c)/p=k,

где а=х₂; b=h₂; с=у₂; m=cosε₂cosα₂; n=sinε₂; p=cosε₂sinα₂.

Точка пресечения прямой и плоскости определяется следующим алгоритмом.

1. Определяется параметр k - коэффициент пропорциональности в уравнении прямой в пространстве

k=-(Aa+Bb+Cc+D)/(Am+Bn+Cp).

2. Определяются координаты точки пересечения прямой и плоскости

x=a+mk; y=b+nk; z=c+pk.

В условиях решаемой задачи

k=-(-x₂sinα₁+y₂cosα₁+x₁sinα₁-y₁cosα₁)/

(-cosε₂cosα₂sinα₁+cosε₂sinα₂cosα₁)=

=[(x₂-x₁)sinα₁+(y₁-y₂)cosα₁]/[cosε₂sin(α₂-α₁)].

Окончательно

k=[(x₂-x₁)sinα₁-(y₂-y₁)cosα₁]/[cosε₂sin(α₂-α₁)],

х_ЛА=x₂+k·cosε₂cosα₂; h_ЛА=h₂+k·sinε₂; у_ЛА=y₂+k·cosε₂sinα₂,

где (x_Г; h_Г; z_Г) - координаты летательного аппарата в ГСК.

Справочная информация: sin(α-β)=sinα·cosβ-sinβ·cosα.

Для другого подобного сочетания измеряемых параметров (α₁; ε₁; α₂) геометрия решения не изменяется, т.е. ищется пересечение плоскости и прямой.

Таким образом, способ определения пространственных координат летательных аппаратов на основе использования двух дирекционных углов и угла места позволяет определить точку на пересечении прямой и плоскости, что уменьшает время обработки полученной информации от датчиков, работающих в оптическом и радиолокационном диапазонах электромагнитных волн.

Источники информации

1. Панов В.П., Приходько В.В. Способ передачи и приема радиосигналов наземных радиомаяков. - ФИПС. Патент на изобретение №2436232, 10.12.2011 г.

2. Безяев B.C. Способ триангуляции целей. - ФИПС. Патент на изобретение №2423720, 10.07.2011 г.

3. Шишков С.В. Способ автоматизированного определения координат беспилотных летательных аппаратов. - ФИПС. Патент на изобретение №2523446, 26.05.2014 г.