Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано при создании инерциального навигационного комплекса для высокоскоростного маневренного объекта.

Используемые термины

Для существенного сокращения текста описания и формулы целесообразно перечислить используемые термины.

Подвижный носитель - движущийся объект: корабль, подводная лодка, летательный аппарат, на борту которого установлен подвижный объект.

Подвижный объект - объект или группа подвижных объектов, стартующих с подвижного носителя и выполняющих основную функцию, являющихся высокоскоростными и маневренными, для управления которыми предназначено решение задачи навигации с требуемой точностью.

Полюс объекта - точка, для которой определяются переменные его поступательного движения - это, как правило, начало связанной с ним системы координат; в частности, полюсом объекта может быть его центр масс.

Первичная информация - совокупность сигналов инерциальных датчиков, зависящих от конструктивных характеристик и принципа работы датчиков.

Связанная система координат - система координат, связанная с осями чувствительности (измерительными осями) инерциальных датчиков.

Инерциальная информация - совокупность переменных: в частности, три проекции вектора абсолютной угловой скорости, и три проекции вектора кажущегося ускорения полюса объекта на оси связанной системы координат, в которой установлены специальным образом датчики углового и поступательного движений.

Навигационная информация - переменные, на основе которых осуществляется управление движением объекта - это переменные ориентации объекта от базовой (например, связанной с Землей) к связанной с объектом системе координат (например, девять направляющих косинусов), три проекции вектора скорости полюса объекта и три проекции радиуса-вектора полюса объекта (то есть три координаты объекта) в базовой системе координат.

Встроенный компьютер - вычислительное устройство, встроенное в инерциальный датчик или входящее в состав бортового компьютера, в котором хранится информация о структуре инерциального датчика и в который инсталлировано программное обеспечение для процедуры определения компонент инерциальной информации на основе первичной информации (сигнала датчика), то есть входом его являются переменные первичной информации, а выходом является переменная инерциальной информации.

Локальный компьютер - вычислительное устройство, встроенное в блок инерциальной информации или входящее в состав бортового компьютера, в котором хранится информация о структуре блока инерциальных датчиков и в который инсталлировано программное обеспечение, входом в которое являются переменные проекции векторов инерциальной информации на измерительные оси датчиков, а выходом являются переменные проекции этих векторов на оси связанной с объектом системы координат.

Бортовой компьютер - вычислительное устройство, в котором хранится априорная информация о гравитационном поле (Земли), базовом вращении (вращении Земли) и начальных условиях об ориентации, движении и положении объекта, входом которого являются переменные инерциальной информации, а выходом - переменные навигационной информации и в который инсталлировано программное обеспечение для процедуры функционирования бесплатформенной инерциальной навигационной системы, то есть определения переменных навигационной информации на основе переменных инерциальной и априорной информации; следует различать бортовой компьютер подвижного носителя и бортовой компьютер подвижного объекта.

Инерциальный триэдр - блок инерциальных датчиков, измерительные оси которых являются некомпланарными (в частности, взаимно ортогональными); при этом на каждой из трех осей установлены в минимальной конфигурации: один датчик угловой скорости и один акселерометр; в средней конфигурации: один датчик угловой скорости, один датчик углового ускорения и один акселерометр; в расширенной конфигурации: N+1 датчик угловой скорости, N+1 датчик углового ускорения, N+1 акселерометр - такой триэдр имеет избыточность первичной информации, равную N, при N большем единице.

Блок инерциальной информации - устройство, включающее в себя инерциальный триэдр и локальный компьютер, к входу которого подключены выходы датчиков инерциального триэдра по беспроводной технологии передачи данных, и в которое инсталлировано программное обеспечение для процедуры определения переменных инерциальной информации, являющиеся его выходом.

Бесплатформенная инерциальная навигационная система - электро-электронно-механическое устройство, состоящее из блока инерциальной информации, подключенного к бортовому компьютеру, выходом которого являются переменные навигационной информации, поступающие на вход системы управления движением объекта: в описании и формуле - это навигационная система подвижного объекта.

Инерциальная навигационная система - электро-электронно-механическое устройство, состоящее из блока инерциальной информации, который может быть не связан жестко с объектом и иметь структуру, отличающуюся от структуры блока инерциальной информации бесплатформенной инерциальной навигационной системы, подключенного к бортовому компьютеру, выходом которого являются переменные навигационной информации, поступающие на вход системы управления движением объекта: в описании и формуле - это навигационная система подвижного носителя, которая может быть полуаналитической, аналитической, геометрической или бесплатформенной, комплексируемой и корректируемой в соответствии с классом носителя (корабль, подводная лодка, стратегический бомбардировщик и т.п.) и имеющимися на его борту средствами.

Функционирование бесплатформенной инерциальной навигационной системы - процесс получения навигационной информации об ориентации подвижного объекта в системе координат, в которой решается задача навигации и управления им (например, направляющих косинусах от земной системы координат к системе координат подвижного объекта), движении подвижного объекта (проекций вектора скорости полюса подвижного объекта в земной системе координат) и положении подвижного объекта (проекций радиуса-вектора полюса подвижного объекта в земной системе координат) на основе обработки первичной информации с привлечением априорной информации о гравитационном поле Земли, вращении Земли и начальных ориентации, движении и положении подвижного объекта относительно Земли.

Функционирование инерциальной навигационной системы - процесс получения навигационной информации об ориентации подвижного носителя в системе координат, в которой решается задача навигации и управления им (например, направляющих косинусах от земной системы координат к системе координат подвижного носителя), движении подвижного носителя (проекций вектора скорости полюса подвижного носителя в земной системе координат) и положении подвижного носителя (проекций радиуса-вектора полюса подвижного носителя в земной системе координат) на основе обработки первичной информации с привлечением априорной информации о гравитационном поле Земли, вращении Земли и начальных ориентации, движении и положении подвижного объекта относительно Земли.

Массогеометрические характеристики объекта - десять величин: масса подвижного объекта, три координаты его центра масс, три его осевых момента инерции и три его центробежных момента инерции в связанной с подвижным объектом системе координат; в частности, при динамически отбалансированном подвижном объекте центробежные моменты инерции полагаются нулевыми с точностью до погрешностей балансировки; указанные величины могут определяться либо по информации бесплатформенной инерциальной навигационной системы, либо на основе специально создаваемых малых калиброванных возмущений объекта: например, импульсы сопел малой расчетной тяги, создающие калиброванные силы и моменты на таком интервале времени движения объекта, на котором возможно измерить эти силы и моменты, а кроме того, определяется движение центра масс по объекту, вызванное, например, расходом топлива.

Уровень техники

Известен навигационный комплекс [1], включающий в себя бесплатформенную инерциальную навигационную систему на объекте, устройство вычисления скорости и координат, трехканальный блок датчиков линейных ускорений, трехканальный блок датчиков угловых скоростей. Этот навигационный комплекс эффективен для малоразмерных беспилотных летательных аппаратов.

Недостатком этого навигационного комплекса является невозможность его использования для навигационных измерений высокоскоростного маневренного подвижного объекта, стартующего с подвижного носителя, и работающего длительное время.

Известен способ построения инерциальной навигационной системы [2], заключающийся в установке на объекте бесплатформенной инерциальной навигационной системы, состоящей из блока инерциальной информации, в состав которого входят один датчик углового движения (например, датчик угловой скорости) и один датчик поступательного движения (например, акселерометр), блок инерциальной информации жестко закреплен на оси, приводящейся во вращение двигателем и снабженной тахометром для измерения ее угловой скорости относительно объекта, во время движения объекта измеряют сигналы указанных датчиков в окрестностях координатных осей связанной с объектом системы координат и далее обрабатывают их с привлечением необходимой априорной информации для получения переменных навигационной информации. Известны также и усовершенствования [3, 4, 5] этого способа путем установки датчиков сил на оси вращения и соответствующей обработки измерительной информации. Известен способ выставки инерциальных чувствительных элементов [6], заключающийся в изменении ориентации датчиков относительно платформы по критерию минимума погрешности модуля вектора скорости центра масс объекта во время его движения. Известен способ выставки акселерометров [7], заключающийся в изменении ориентации акселерометров относительно платформы по критерию минимума погрешности модуля вектора ускорения центра масс объекта во время его движения на основе информации с дополнительных акселерометров, установленных жестко на объекте.

В изобретениях [2, 3, 4, 5] по способам построения инерциальных навигационных систем зафиксирована идея уменьшения количества инерциальных датчиков в системе путем принудительного вращения акселерометра относительно стабилизированной платформы или принудительного вращения относительно объекта двух датчиков, один из которых - акселерометр, второй - датчик угловой скорости. Если в дополнение к этим способам установить на оси вращения датчики сил, то измеряемая ими информация и ее обработка позволит получить избыточную инерциальную информацию с целью использования ее для повышения точности навигационной информации. Область применения таких систем ограничена объектами с медленно-меняющимися или с программно-меняющимися кинематическими характеристиками.

В изобретениях [6, 7] зафиксирована идея по способам автономного повышения точности инерциальных навигационных систем путем оптимального разворота блока неидеальных акселерометров относительно стабилизированной платформы или оптимального разворота относительно объекта неидеального блока инерциальной информации, состоящего из трех акселерометров и трех датчиков угловой скорости на основе информации дополнительного блока инерциальной информации, неподвижно закрепленного на объекте. Критерии оптимальности разворота: минимум суммарной погрешности навигационной информации в конечный момент времени или в текущий момент времени движения объекта. При выполнении математического описания для указанных изобретений использован аппарат оптимального управления.

Известна инерциальная навигационная система [8], состоящая из блока инерциальной информации, в состав которого входят один датчик углового движения (например, датчик угловой скорости) и один датчик поступательного движения (например, акселерометр), блок инерциальной информации жестко закреплен на оси, приводящейся во вращение двигателем и снабженной тахометром для измерения ее угловой скорости относительно объекта, во время движения объекта измеряют сигналы указанных датчиков в окрестностях координатных осей связанной с объектом системы координат и далее обрабатывают их с привлечением необходимой априорной информации для получения переменных навигационной информации. Известно также и усовершенствование [9] этой инерциальной навигационной системы путем введения дополнительных устройств и соответствующей обработки измерительной информации. Известна инерциальная навигационная система для объектов с плоскими траекториями центров масс [10], в которой реализована идея изменения ориентации датчиков относительно платформы по критерию минимума погрешности модуля вектора скорости центра масс объекта. Известно устройство для выставки инерциальных датчиков [11], в котором реализована идея изменения ориентации датчиков относительно объекта по критерию минимума погрешности модуля вектора угловой скорости или модуля вектора кажущегося ускорения центра масс объекта во время его движения на основе информации от дополнительных неподвижных относительно объекта инерциальных датчиков.

В изобретениях [8, 9, 10, 11] зафиксирована идея автономного повышения точности инерциальных навигационных систем путем оптимального разворота блока неидеальных акселерометров относительно стабилизированной платформы или оптимального разворота относительно объекта неидеального блока инерциальной информации, состоящего из трех акселерометров и трех датчиков угловой скорости на основе информации дополнительного неподвижного относительно объекта блока инерциальной информации. Критерии оптимальности разворота: минимум суммарной погрешности навигационной информации в конечный момент времени или в текущий момент времени движения объекта. При выполнении математического описания для указанных изобретений использован аппарат оптимального управления и аппарат минимизации функции трех переменных.

Идея принудительного вращения блока инерциальной информации относительно объекта и идея автономного повышения точности бесплатформенной инерциальной навигационной системы путем оптимального разворота блока инерциальной информации относительно объекта являются наводящими на идею построения бесплатформенной инерциальной навигационной системы со структурой, позволяющей повышать точность навигационной информации. Но существенным недостатком способов [2, 3, 4, 5, 6, 7] и устройств выставки инерциальных датчиков [8, 9, 10, 11] является невозможность их использования для навигационных измерений высокоскоростного маневренного подвижного объекта, стартующего с подвижного носителя.

Формула изобретения

1. Инерциальный навигационный комплекс для высокоскоростного маневренного объекта, стартующего с подвижного носителя в требуемый момент времени t₀, содержащий инерциальную навигационную систему подвижного носителя, бесплатформенную инерциальную навигационную систему подвижного объекта, при этом инерциальная навигационная система подвижного носителя состоит из блока инерциальной информации подвижного носителя, подключенного к бортовому компьютеру подвижного носителя, и генерирует навигационную информацию для управления движением подвижного носителя, бесплатформенная инерциальная навигационная система подвижного объекта генерирует навигационную информацию для управления движением подвижного объекта после его старта с подвижного носителя и состоит из бортового компьютера подвижного объекта, к которому подключены первый блок инерциальной информации подвижного объекта, жестко закрепленный на подвижном объекте, и второй блок инерциальной информации, жестко закрепленный на оси, ориентированной на корпусе объекта и приводящейся во вращение двигателем и снабженной тахометром для измерения ее угловой скорости, и датчиком углового положения относительно подвижного объекта, в момент времени t₀ из бортового компьютера подвижного носителя в бортовой компьютер подвижного объекта подают значения переменных навигационной информации в этот момент времени, пересчитанные на оси системы координат, используемые для навигации и управления подвижным объектом, а после старта подвижного объекта управление его движением осуществляют на основе навигационной информации, генерируемой бесплатформенной инерциальной навигационной системой подвижного объекта, отличающийся тем, что дополнительно введен двухстепенный подвес, в котором установлена ось вращения с жестко закрепленным на ней вторым блоком инерциальной информации, по осям подвеса установлены двигатели, переориентирующие ось вращения и датчики углов, обмотки управления двигателей разворота оси вращения, выходы датчиков углов и выход тахометра подключены ко входу бортового компьютера подвижного объекта, выходы инерциальных датчиков первого блока инерциальной информации и второго блока инерциальной информации подключены ко входу бортового компьютера подвижного объекта, после старта до окончания движения подвижного объекта навигационная информация для управления его движением снимается с выхода бортового компьютера подвижного объекта.

2. Инерциальный навигационный комплекс для высокоскоростного маневренного объекта по п. 1, отличающийся тем, что в блок инерциальной информации подвижного объекта введены дополнительно N инерциальных датчиков углового движения (например, датчиков угловой скорости) и N инерциальных датчиков поступательного движения (например, акселерометров), выходы указанных датчиков подключены ко входу бортового компьютера подвижного объекта, который дополнен вычислительным блоком, реализующим процедуру вычисления переменных навигационной информации с использованием избыточности первичной информации, равной N.

3. Инерциальный навигационный комплекс для высокоскоростного маневренного объекта по п. 1, отличающийся тем, что бортовой компьютер подвижного объекта дополнен вычислительным блоком, реализующим до момента времени старта подвижного объекта с подвижного носителя процедуру калибровки бесплатформенной инерциальной навигационной системы подвижного объекта на основе информации бесплатформенной инерциальной навигационной системы подвижного носителя, пересчитанной на связанные оси подвижного объекта.

4. Инерциальный навигационный комплекс для высокоскоростного маневренного объекта по п. 1, отличающийся тем, что бортовой компьютер подвижного объекта дополнен вычислительным блоком, реализующим процедуру диагностики информационных нарушений инерциальных датчиков бесплатформенной инерциальной навигационной системы подвижного объекта в течение всего интервала времени его движения.

5. Инерциальный навигационный комплекс для высокоскоростного маневренного объекта по п. 1, отличающийся тем, что бортовой компьютер подвижного объекта дополнен вычислительным блоком, реализующим процедуру оценивания генерируемых бесплатформенной инерциальной навигационной системой подвижного объекта переменных навигационной информации в течение всего интервала времени его движения.

6. Инерциальный навигационный комплекс для высокоскоростного маневренного объекта по п. 1, отличающийся тем, что бортовой компьютер подвижного объекта дополнен вычислительным блоком, реализующем процедуру определения массогеометрических характеристик подвижного объекта, а также текущего положения и движения его центра масс в течение всего интервала времени его движения.

7. Инерциальный навигационный комплекс для высокоскоростного маневренного объекта по п. 1, отличающийся тем, что на подвижном объекте введены устройства получения информации со спутниковой навигационной системы или с астронавигационной системы, или радионавигационной системы, если использование таковых допускают условия применения комплекса, а бортовой компьютер подвижного объекта дополнен вычислительным блоком, реализующем процедуру коррекции генерируемых бесплатформенной инерциальной навигационной системой подвижного объекта переменных навигационной информации в течение всего интервала времени его движения.