Принцип работы и основные унифицированные схемы БИНС

ЛЕКЦИЯ №7

БЕСПЛАТФОРМЕННЫЕ ИНЕРЦИАЛЬНЫЕ НАВИГАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ (БИНС)

· высокая информативность и универсальность, то есть при помощи ИНС определяется вся совокупность пилотажно-навигационных параметров, необходимых для управления ЛА;

· полная автономность функционирования;

· высокая помехозащищенность;

· возможность высокоскоростной выдачи информации (до 100 Гц и выше);

Кроме того, по отношению к платформенным ИНС БИНС имеет следующие потенциальные преимущества:

· меньшие размеры, массу и энергоемкость;

· повышенную надежность из-за отсутствия сложной механики;

· отсутствие ограничений по углам разворота;

· сокращение времени начальной выставки;

· универсальность системы, поскольку переход к определению тех или иных параметров навигации осуществляется алгоритмически;

· упрощение решения задач резервирования и контроля работоспособности системы и ее элементов.

В основе принципа функционирования ИНС лежит использование законов Ньютона для определения координат, проекции скорости и угловой ориентации объекта.

Согласно 2-му закону Ньютона:

· вектор абсолютного ускорения центра масс материального тела может быть выражен через вектор равнодействующих всех приложенных к телу сил и массу этого тела :

(1)

Представим силу в виде 2-х составляющих:

- негравитационных или активных (сил тяги, аэродинамических, управляющих);

сил гравитационного воздействия.

(2)

Отношение

определяет кажущееся ускорение, а отношение

определяет гравитационное ускорение и зависит от геопотенциала в данной точке, величина которого является функцией геоцентрического радиус-вектора местоположения.

Абсолютное ускорение объекта выражается через вторую производную геоцентрического радиус-вектора местоположения :

(3)

Подставим (3) в (2), получим основное уравнение инерциальной навигации:

(4)

Здесь вектор кажущегося ускорения может быть измерен тремя ортогонально расположенными акселерометрами, гравитационное ускорение задается в виде известной функции от радиуса-вектора для конкретной модели фигуры Земли.

Представим уравнение (4) в форме Коши:

(5) (6)

где - вектор абсолютной скорости движение ЛА.

Если система координат вращается с угловой скоростью , то

(7)

где и - локальные производные от векторов и , взятые в базе, вращающемся с угловой скоростью .

После подстановки (7) в (5) и (6), получим:

(8)

Если определить не вектор абсолютной скорости движения ЛА , а вектор относительной скорости , то основное уравнение навигации представим в виде:

(9)

где - вектор угловой скорости вращения Земли, модуль которого =15,0407 град/час=7,292116·10^-5 с^-1;

- вектор, определяющий скорость движения относительно Земли;

- вектор абсолютной скорости движения ЛА;

- вектор положения объекта (геоцентрический радиус-вектор местоположения ЛА).

Подставляя (9) в (5) и (6), запишем основное уравнение инерциальной навигации в форме Коши:

(10)

где - вектор градиента поля силы тяжести, (при выводе было принято , так как вектор угловой скорости вращения Земли известен с высокой точностью).

Система (10) позволяет определить местоположение и относительную скорость в инерциальной системе координат. Для получения этой информации во вращающемся базисе необходимо воспользоваться соотношениями (7). При этом

(11)

где - локальная производная от вектора , взятом в базисе, вращающемся с угловой скоростью .

Учитывая выражения (7) и (11), основное уравнение инерциальной навигации можно записать в форме, обеспечивающей вычисление относительно скорости и местоположения в системе координат, вращающейся с угловой скоростью :

(12)

Векторные системы уравнений (5), (6), (8), (10), (12) могут служить основной для синтеза функциональных алгоритмов БИНС различного назначения.

Та или иная векторная форма выбирается для получения скалярного эквивалента функциональных алгоритмов, служащего для разработки численных алгоритмов БИНС.

Скалярный вид основного уравнения ИНС определяется навигационным базисом, то есть базисом, в котором определяется основные навигационные параметры – координаты и проекции скоростей, а также типом ЛА.

Для КЛА, совершающего орбитальное движение, используется решение в инерциальной системе координат уравнений (5), (6). При этом позиционную информацию для БИНС ЛА, движущихся в атмосфере, в том числе БПЛА, наиболее часто используется система координат с базовой плоскостью местного горизонта и определенной ориентацией осей в азимуте. Под ориентацией осей в азимуте понимается возможность их ориентации либо по сторонам света, когда две горизонтальные оси направлены в восточном и северном направлении, либо свободная или полусвободная ориентация, когда горизонтальные оси, первоначально выставленные в определенном направлении, в дальнейшем вращаются с определенной угловой скоростью (в первом случае и во втором случае). При этом позиционную информацию определяют широтой, долготой и высотой, измеренной на эллипсоиде Красовского СК-42 или на эллипсоиде международной системы WGS-84 (World Geodetic System 84), скорость определяют на восточную, северную, и вертикальные оси, если в качестве навигационной системы выбрана система с ориентацией осей по сторонам света, или проекциями на оси горизонтального базиса с иной ориентацией. Ориентация при этом определяется углами крена, тангажа и истинного курса. Обобщенные функциональные схемы БИНС приведены на рис. 1 и 2.

Рисунок 1 Обобщенная блок-схема БИНС, работающая в инерциальной системе

координат

Рисунок 2 Обобщенная блок-схема БИНС, работающая во вращающейся

системе координат

Условные обозначения, принятые на рис. 1, 2.

БА – блок акселерометров; БГ – блок гироскопов; БП – блок пересчетов;

АО – алгоритм ориентации; НА – навигационный алгоритм; – матрица направляющих косинусов.

На рис. 1 информация с блока гироскопов (БГ) в виде проекций угловой скорости на связанные с ЛА оси используется, а в алгоритме ориентации (АО) для формирования матрицы А направляющих косинусов между связанными с инерциальными осями (). Данные с блока акселерометра (БА) в виде проекций вектора кажущегося ускорения на связанные с ЛА в блоке пересчета (БП) пересчитываются к инерциональным осям с использованием полученной матрицы ориентации. Вычисленные проекции кажущегося ускорения на инерциальные оси (вектор ) передаются в блок решения навигационного алгоритма (НА), векторная форма которого задана системой (5) и (6). Выходные параметры БИНС в этом случае представляются инерциальными декартовыми координатами радиус-вектора местоположения , проекциями абсолютной скорости движения , а также матрицей ориентации ЛА в выбранной инерциальной системе координат . Естественно, что при необходимости из матрицы ориентации могут быть получены углы ориентации ЛА относительно осей инерциальной системы координат.

Вторая типовая схема построения БИНС (рис.2) реализует алгоритм системы, работающей во вращающейся (наиболее часто – горизонтальной) системе координат.

Здесь информация с БГ в виде проекции угловой скорости на связанные с ЛА оси используется в АО, матрица направляющих косинусов здесь между связанными с ЛА осями и осями, которые вращаются с угловой скоростью . Это приводит к модификации алгоритма ориентации и необходимость реализации в НА проекций вектора . Проекции вектора кажущегося ускорения на связанные с ЛА оси передаются в БП для приведения их к навигационным осям с помощью матрицы . Вычисленные проекции вектора передаются в блок решения НА, векторная форма которого задается (8) или (12) в зависимости от вида определенной скорости. На выходе БИНС формируется:

· радиус-вектор местоположения ЛА - ;

· вектор скорости ;

· углы ориентации.

Если в качестве навигационного базиса выбран горизонтальный, ориентированный по сторонам света трехгранник на выходе системе будут сформировать географические координаты:

· радиус-вектора местоположения ;

· проекции относительной скорости движения ;

· углы ориентации в географической системе координат: истинный курс , тангаж и крен .

Учитывая сказанное, рассмотрим вариант построения алгоритмов БИНС.

Первый алгоритм (рис. 2) соответствует БИНС, работающий с географической системой координат, то есть служит для определения:

· широты - ;

· долготы - ;

· высоты - ;

· северной , восточной и вертикальной проекций относительной скорости;

· углы ориентации - , и .

Такой алгоритм широко используется в БИНС авиационного применения, в том числе и для беспилотных ЛА.

Определим навигационный географический координатный трехгранник с ортами и , для которого (орт ) направляет по внешней нормали к поверхности эллипсоида Красовского, ось (орт ) – по меридиану на север, и ось (орт ) на восток (рис. 3).

Рисунок 3 Географический навигационный трехгранник

Ниже рассмотрим наиболее общий алгоритм БИНС, определяющей проекции относительной скорости на горизонтальные (северная и восточная проекции) и вертикальные оси, широту, долготу, высоту, углы крена , тангажа и истинного курса .

Алгоритм БИНС укрупненно можно разделить на две взаимозависимые части:

· навигационный алгоритм, в котором определяются проекции скоростей и координаты;

· алгоритм определения параметров ориентации, который вычисляет матрицы ориентации чувствительных элементов в пространстве и углы ориентации ЛА в горизонтальной системе координат.

Представим в координатной форме векторы, входящие в (12) и запишем (12) в осях выбранного базиса и :

(13)

где , , - проекции вектора на оси базиса , , , (- ускорение, вызванное силами негравитационного происхождения, то есть активными силами).

Вектор абсолютной угловой скорости выбранного навигационного трехгранника представляем в виде:

(14)

где - вектор скорости изменения координат .

В координатной форме соотношение (14) имеет вид:

(15)

Введем обозначения для относительных угловых скоростей и проекций угловой скорости вращения Земли:

(16)

Тогда векторная сумма в уравнении (12) может быть представлена как

(17)

Ось выбранного базиса направлена по нормали, опущенной из точки места объекта А к поверхности земного эллипсоида, и пересекает эту поверхность в точке В. Определение ориентации этой оси связано с представлением модели фигуры Земли. В качестве такой модели в нашей стране используют двуосный эллипсоид вращения с параметрами, полученными Ф. Н. Красовским.

К основным параметрам относятся:

· большая полуось земного эллипсоида (радиус земного экватора)

;

· малая полуось земного эллипсоида ;

· квадрат эксцентриситета эллипсоида .

Используя математическое описание этой модели, величины можно выразить через линейные скорости движения точки А и радиусы кривизны нормальных сечений эллипсоида:

(18)

где - радиус кривизны меридиального сечения эллипсоида (плоскость сечения определена векторами , );

- радиус кривизны сечения плоскостью, определяемой векторами и ;

- высота полета над поверхностью Земли.

Величины и определяются таким образом:

(19)

При направлении оси по нормали к поверхности эллипсоида

(20)

Для скалярной записи (12) представим в координатной форме вектор :

(21)

Поскольку точка (т. А) места ЛА не принадлежит поверхности Земли, то вектор градиента нормального поля силы тяжести в этой точке не будет направлен по линии нормали, опущенной на нее к поверхности земного эллипсоида (ось ). Однако этот вектор будет расположен в плоскости меридиана точке А, то есть в плоскости, определяемой векторами , . Тогда (21) принимает вид:

(22)

Выражение для проекций получают на основе функции нормального поля тяготения земного сфероида:

(23)

- ускорение силы тяжести на экваторе;

- отношение центробежной силы, обусловленной вращением Земли, к силе тяжести на экваторе;

- угловая скорость вращения Земли.

В формулах (23) принято, что , что соответствует высотам, характерным для авиационных объектов и беспилотных ЛА. Данные формулы могут быть упрощены, если в них сохранить, лишь члены порядка . Тогда

На основании (16) и (18), получим следующую систему дифференцированных уравнений, определяющих :

(24)

Функции и с точностью до принимают вид:

,	(25)
.

С учетом приведенных соотношений скалярный эквивалент векторной системы (12), позволяющий вычислять составляющие вектора скорости ЛА в географической системе координат, можно записать так:

(26)

где , , - компоненты вектора угловой скорости географического базиса относительно Земли (18);

. - компоненты вектора угловой скорости Земли(16);

, , - компоненты вектора кажущегося ускорения, измеренные акселерометрами;

, , - компоненты вектора градиента нормального поля силы тяжести (23).

Входящие в выражение (18) радиусы кривизны земного эллипсоида могут быть вычислены через свои обратные функции по (25) или непосредственно по формулам

;

(27)

где - большая полуось эллипсоида Красовского;

- первый эксцентриситет эллипсоида Красовского.

Проекции угловой скорости вращения географического базиса относительно Земли в географической системе координат с учетом (27) выразятся следующим образом

(28)

Проекции угловой скорости вращения Земли определены в соответствии с (16)

(29)

где - модуль угловой скорости вращения Земли.

Алгоритм вычисления координат местоположения и высоты ЛА по направлению нормали до поверхности земного эллипсоида определяется уравнениями:

(30)

Алгоритм вычисления проекции ускорения силы тяжести Земли с точностью до величины порядка :

(31)

где - отношение центробежной силы, возникающей вследствие вращения Земли, к силе тяжести по экватору ();

Совокупность соотношений (26)…(31) представляет собой навигационный алгоритм БИНС алгоритм определения параметров ориентации.

Алгоритм ориентации служит для решения двух основных задач:

· определение взаимной ориентации ортогонального базиса, образованного измерительными осями акселерометров, и базиса, используемого в качестве навигационного (в нашем случае географического), а так же для пересчета показаний акселерометров в навигационный базис (1-я задача);

· определение угловых параметров ориентации – углов курса (рыскания), тангажа, крена (2-я задача).

Без решения первой задачи невозможно определение местоположения и скорости ЛА с помощью БИНС. В этом смысле этот алгоритм является ключевым в структуре БИНС. Решение второй задачи необходимо для управления ЛА и наведения его на цель в горизонтальной системе координат.