Исследование и разработка системы управления подвижным объектом на основе инерционного датчика положения.

Введение

Системы управления подвижными объектами в общем виде должна обеспечивать перемещение объектов по заданной траектории с заданной скоростью в неопределенных средах.
Одним из основных элементов такой системы управления является система навигации объекта или другими словами его позиционирования в пространстве. Задачей системы позиционирования является определение текущего положения объекта и его пространственных характеристик (наклон по осям, скорости вращения/перемещения и др.).
На основе данных системы позиционирования формируется управляющее воздействие для корректирования траектории движения объекта и его скорости.
Бурное развитие систем спутниковой навигации и их внедрение во все отрасли промышленности позволили существенно упростить получение данных о текущем местоположении объекта в пространстве. Однако спутниковым системам присущ ряд существенных недостатков –невозможность применения внутри зданий и закрытых сооружений, низкая точность.
Для преодоления этих недостатков активно развиваются в настоящее время системы внутреннего (локального) позиционирования, основанные на различных физических принципах.
Одним из перспективных методов локального позиционирования является метод позиционирования на базе микроэлектромеханических (МЕМС) датчиков, позволяющий определять необходимые пространственные параметры объекта управления без дополнительного внешнего оборудования.


 
1 Обзор выполненных работ в выбранном направлении исследования

Системы позиционирования подразделяются на глобальные и локальные системы [1].

1.1 Глобальные навигационные системы

К глобальным системам позиционирования относятся спутниковые навигационные системы – GPS, ГЛОНАСС, Бэйдоу, Galileo и другие.
Спутниковые навигационные системы [2] – это системы, предназначенные для определения местоположения наземных, водных и воздушных объектов. Такие системы навигации кроме местоположения позволяют получить скорости и направления движения объекта, содержащего приёмник сигнала. Кроме того, системы спутниковой навигации могут использоваться для получения точного времени.
Принцип работы спутниковой навигации состоит в измерении расстояния от антенны, расположенной на объекте, координаты которого требуется получить до космических аппаратов, положение которых известно с высокой точностью.
Таблица положений всех космических аппаратов в каждый момент времени называется альманахом, и для определения координат этот альманах должен быть доступен для объекта – спутникового приёмника до начала измерений. Приёмники сохраняют альманах в энергонезависимой памяти, проверяют его актуальность при включении и, если он не устарел, использует его.
Каждый космический аппарат спутниковой навигационной системы передаёт весь альманах в своих сигналах.
Таким образом, зная расстояния до нескольких спутников навигационной системы, с помощью обычных геометрических построений, на основе альманаха, можно вычислить положение объекта в пространстве.
Определение расстояния от приёмника до космического аппарата основано на том, что скорость распространения радиоволн предполагается известной. При этом каждый спутник навигационной системы сообщает сигналы точного времени (для этого используются атомные часы).
При работе спутникового приёмника вычисляется задержка между временем излучения, содержащимся в самом сигнале, и временем приёма сигнала, и по этому времени навигационный приёмник вычисляет координаты антенны космического аппарата.
Все остальные параметры движения объекта, который пользуется навигационной системой (скорость, курс, пройденное расстояние) вычисляются на основе измерения времени, которое объект затратил на перемещение между двумя или более точками с определёнными координатами.
В состав спутниковых систем навигации входит космическое оборудование и оборудование наземного сегмента (системы управления).
Спутниковые системы навигации состоят из следующих основных элементов:
• орбитальная группировка спутников, излучающих специальные радиосигналы;
• наземная система управления и контроля, включающая блоки измерения текущего положения спутников и передачи на них полученной информации для корректировки информации об орбитах космических аппаратов;
• аппаратура конечных потребителей спутниковых навигационных систем, используемая для определения координат;
• дополнительно наземная система радиомаяков, позволяющая значительно повысить точность определения координат (системы наземного увеличения точности);
• дополнительно информационная радиосистема для передачи пользователям поправок, позволяющих значительно повысить точность определения координат (системы спутникового увеличения точности).

Разработан и уже внедрён в основные спутниковые навигационные системы метод повышения точности определения координат до сантиметровой точности. Метод базируется на так называемом «дифференциальном измерении» расстояний между двумя точками.
При этом производится измерение положения объекта в двух точках с небольшим промежутком времени. При этом, хотя каждое такое измерение имеет погрешность, равную 10-15 метров без наземной системы корректировки и 10-50 см с такой системой, измеренное расстояние имеет погрешность намного меньшую, так как факторы, мешающие измерению (погрешность орбит спутников, неоднородность атмосферы в данном месте Земли и т. д.) в этом случае взаимно вычитаются.
Кроме того, при использовании специализированных систем, которые посылают навигационному приёмнику дополнительную информацию («дифференциальную поправку к координатам»), точность измерения координат может быть повышена до 10 сантиметров и менее. Дифференциальная поправка пересылается либо с геостационарных спутников, либо с наземных базовых станций. В качестве такой системы можно привести систему OmniSTAR [3].
OmniSTAR - это поставщик услуг спутниковой системы увеличения точности. Корректирующие сигналы OmniSTAR являются собственностью, и для их получения необходимо приобрести подписку у корпорации OmniSTAR. OmniSTAR использует геостационарные спутники в восьми регионах, охватывающих большую часть территории каждого населенного континента.
Спутниковые навигационные системы, обеспечивающие повышенную точность, которые могут применяться для гражданской навигации, классифицируются следующим образом: [4]

• Основные спутниковые навигационные системы, в настоящее время GPS (США), ГЛОНАСС (Российская Федерация), Galileo (Европейский союз) и Compass (Китай).
• Региональные спутниковые навигационные системы, такие как «Бейду» в Китае, NAVIC в Индии и предлагаемый QZSS Японии.
• Глобальные спутниковые системы увеличения точности (SBAS), такие как Omnistar и StarFire.
• Системы наземного увеличения точности на континентальной основе (GBAS), например, Австралийская GRAS, береговая охрана США, береговая охрана Канады, министерства транспорта США.
• Региональный спутниковые системы повышения точности, включая WAAS (США), EGNOS (ЕС), MSAS (Япония) и GAGAN (Индия).
• GNSS-1 (Global Navigation Satellite System - Глобальная Навигационная Спутниковая Система) представляет собой систему первого поколения и представляет собой комбинацию существующих спутниковых навигационных систем (GPS и ГЛОНАСС), спутниковых систем увеличения точности (SBAS) или наземных систем увеличения точности (GBAS). В Соединенных Штатах спутниковый компонент представляет собой систему расширенной зоны расширения (WAAS), в Европе это европейская геостационарная навигационная накладная (EGNOS), а в Японии это многофункциональная система спутникового расширения (MSAS).
• GNSS-2 - это второе поколение систем, которые независимо обеспечивают полную гражданскую спутниковую навигационную систему, примером которой является европейская система позиционирования Galileo. Эти системы будут обеспечивать контроль точности и целостности, необходимый для гражданской навигации; включая воздушные суда.