РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ

ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБАПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ

(51) МПКG01S 19/00 (2010.01)

(19) RU (11) 2 510 046(13) C2

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ

(21)(22) Заявка: 2011133946/07, 15.08.2011

(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 15.08.2011

Приоритет(ы):(30) Конвенционный приоритет:

18.08.2010 DE 102010034792.2

(43) Дата публикации заявки: 20.02.2013 Бюл. № 5

(45) Опубликовано: 20.03.2014 Бюл. № 8

(56) Список документов, цитированных в отчете опоиске: RU 2363012 C2, 20.06.2010. RU 2392636 C1,

20.06.2010. RU 2165062 C1, 10.04.2001.ЕР 498655 A2, 12.08.1992. WO 1993001576 A1,21.01.1993. US 6094607 A, 25.07.2000. EP1441300 A1, 28.07.2004.

Адрес для переписки:105082, Москва, Спартаковский пер., 2, стр.1, секция 1, этаж 3, "ЕВРОМАРКПАТ"

(72) Автор(ы):ШЛЁТЦЕР Зузанне (DE)

(73) Патентообладатель(и):АСТРИУМ ГМБХ (DE)

(54) УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ТРЕХМЕРНОГО ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ(57) Реферат:

Изобретение относится кпозиционированию летательного аппарата.Сущность изобретения заключается в том, чтоустройство (10) трехмерногопозиционирования с базовой станцией (12)вторичного радара, которая предназначенадля измерения дальности доретрансляторов (14) и имеет по меньшей мереодну радарную антенну (16), содержит GNSS-приемник (18), который предназначен дляизмерения GNSS-сигналов, и имеет GNSS-приемную антенну (20), инерциальныйизмерительный блок (22), которыйпредназначен для определенияположения GNSS-приемной антенны, а также

по меньшей мере одну радарную антенну вобщей системе координат относительнонулевой точки, и интегрирующийпроцессор (24, 30, 31), в который подводятсяизмерения псевдодальности GNSS-приемника,радарные измерения дальности, и измеренныеинерциальным измерительным блоком (22)перемещения устройства относительно осейобщей системы координат, и которыйопределяет трехмерную позицию общейопорной точки путем объединенияподведенных измерений и данных, при этом сучетом измеренных перемещений производитсякомпенсация плеча. Достигаемый техническийрезультат - повышение точностипозиционирования. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 4 ил.

Ñòð.: 1

ru

RU

2510046

C2

2C

64

00

15

2U

R

Ñòð.: 2

RU

2510046

C2

2C

64

00

15

2U

R

RUSSIAN FEDERATION

FEDERAL SERVICE FOR INTELLECTUAL PROPERTY

(51) Int. Cl.G01S 19/00 (2010.01)

(19) RU (11) 2 510 046(13) C2

(12) ABSTRACT OF INVENTION

(21)(22) Application: 2011133946/07, 15.08.2011

(24) Effective date for property rights: 15.08.2011

Priority:(30) Convention priority:

18.08.2010 DE 102010034792.2

(43) Application published: 20.02.2013 Bull. 5

(45) Date of publication: 20.03.2014 Bull. 8

Mail address:105082, Moskva, Spartakovskij per., 2, str. 1,sektsija 1, ehtazh 3, "EVROMARKPAT"

(72) Inventor(s): ShLETTsER Zuzanne (DE)

(73) Proprietor(s): ASTRIUM GMBKh (DE)

(54) THREE-DIMENSIONAL POSITIONING APPARATUS AND METHOD(57) Abstract:

FIELD: radio engineering, communication.SUBSTANCE: three-dimensional positioning

apparatus (10) with a secondary radar base station(12), designed to measure range to repeaters (14) andhas at least one radar antenna (16), has a GNSSreceiver (18), designed to measure GNSS signals andhas a GNSS receiving antenna (20), an inertialmeasuring unit (22), designed to determine theposition of the GNSS receiving antenna, as well as atleast one radar antenna in a common coordinatesystem relative a zero point, and an integratingprocessor (24, 30, 31), to which are transmittedpsedorange measurements of the GNSS receiver,radar range measurements, and movements of theapparatus relative the axis of the common coordinatesystem measured by the inertial measuring unit (22),and which determines the three-dimensional positionof the common reference point by combining the

measurements and data, and arm compensation iscarried out based on the measured movements.

EFFECT: high accuracy of positioning.13 cl, 4 dwg

Ñòð.: 3

en

RU

2510046

C2

2C

64

00

15

2U

R

RU 2 510 046 C2

Изобретение относится к устройству и способу для трехмерного позиционированиялетательного аппарата согласно пунктам 1 и 10 формулы изобретения,соответственно.

Трехмерное позиционирование летательных аппаратов с высокими требованиями кточности, доступности, непрерывности и целостности важно, например, при посадкевертолетов. При этом, прежде всего, при плохой видимости посадочной площадки илипри отсутствии такой видимости могут возникать проблемы. Для трехмерногопозиционирования во время захода на посадку известны различные технологии,которые в дальнейшем будут кратко разъяснены вместе со своими недостатками.

Например, известна интеграция GPS (глобальная система позиционирования) и INS(инерциальная навигационная система). Однако, тем самым не удается достичьтребований к точности трехмерного позиционирования, которая, например, требуетсяпри автономной посадке. К тому же различные корректирующие данные лишьограничено доступны. Данное решение также чувствительно к воздействию станцийактивного радиоэлектронного подавления.

Далее известна так называемая посадочная РЛС, которая приводит к большимэксплуатационным расходам. Кроме того, с точки зрения определения позиции иконтроля целостности пользовательский сегмент не полностью автономен, так какконтроль производится в наземном сегменте вместо пользовательского сегмента. Инаконец, требуется дорогой наземный сегмент больших механических размеров и сбольшой потребляемой мощностью.

Следующей известной технологией является локальная двухмерная системарадарного позиционирования, которая все же ограничена двухмернымпозиционированием и, как правило, обладает меньшей доступностью инепрерывностью, чем в случае объединенного подхода для данных от датчиков с GNSS(глобальная спутниковая навигационная система) и IMU (инерциальныйизмерительный блок). Из-за ограниченности системы двухмернымпозиционированием она не рассматривается в качестве помощи при посадке, апригодна лишь для руления.

Наконец, известна навигационная подсистема на базе псевдоспутников (IntegrityBeacon Landing), которая, правда, легко подвержена воздействию станций активногорадиоэлектронного подавления, так как она работает исключительно в GNSS-диапазоне частот. Высокой точности позиционирования можно добитьсяиспользованием алгоритмов фаз несущей частоты, что негативно воздействует надоступность и усложняет интеграционные концепции. Кроме того, данная технологияприводит к повышенным затратам на наземный сегмент из-за наземныхпсевдоспутников (Integrity Beacons).

Далее приводятся следующие публикации, которые занимаются решениями вобласти позиционирования:

- Thibaut G.: "Cost Benefit Analysis on Precision Approach and Landing Systems (PALS) -Final Report", NIAG SG-99 итоговый отчет, том 2, документ AC/224(ACG5)D(2007)0002,июль 2007 г.,

- Cohen C.E., Pervan B.S., Cobb H.S., Lawrence D.G. Powell J.D., Parkinson B.W.:"Precision Landing of Aircraft Using Integrity Beacons", в Global Positioning System:: Theoryand Applications Volume II, том 164, American Institute of Aeronautics and Astronautics,Washington, DC, 1996,

- Greenspan R.L.: "GPS and Inertial Integration", в Global Positioning System: Theory andApplications Volume II, том 164, American Institute of Aeronautics and Astronautics,

Ñòð.: 4

DE

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

RU 2 510 046 C2

Washington, DC, 1996, и- "SYMEO Local Positioning Radar System LPR-B 1D", документация на изделие, Symeo

GmbH, 2009 г.Задачей предлагаемого изобретения является обеспечить улучшенное трехмерное

позиционирование, которое делает возможным объединение требований к точности,доступности, неразрывности и целостности к решению позиционирования.

Данная задача решена посредством устройства для трехмерного позиционированиялетательного аппарата с признаками пункта 1 формулы изобретения и посредствомспособа трехмерного позиционирования летательного аппарата с признакамипункта 10 формулы изобретения. Дополнительные выполнения изобретения являютсяпредметом зависимых пунктов формулы изобретения.

Изобретение предусматривает объединение измерений вторичного радара, GNSS-измерений и IMU-данных в интегрирующем процессоре, который определяеттрехмерную позицию на основании объединенных измерений и данных. С цельюобъединения интегрирующий процессор может проводить объединение измерений иданных с помощью нелинейного фильтра. Согласно изобретению расчет трехмернойпозиции на стороне пользователя может происходить автономно в интегрирующемпроцессоре. Это обеспечивает контроль целостности решения задачипозиционирования непосредственно у пользователя, где информация о тревогецелостности требуется раньше всего. Используемая в целях изобретения системавторичных радаров, которая может быть выполнена как работающий в C-диапазонечастот (IEEE) FMCW (частотно-модулированный радар непрерывного излучения) -радар, имеет базовую станцию, которая закрепляется на пользовательском блоке, инесколько распределенных в локальной ограниченной области транспондеров(станций). Измерение расстояний между базовой станцией и транспондерамибазируется на измерениях времени задержки сигнала. При этом базовая станцияизлучает FMCW-радарный сигнал, посредством которого транспондерысинхронизируются в течение жестко заданного промежутка времени. После успешнойсинхронизации транспондеры излучают FMCW-ответный сигнал. Для того чтобы приобъединении измерений и данных в нелинейном фильтре добиться хорошейнаблюдаемости состояний фильтра, а также высокой доступности и целостностирешения задачи трехмерного позиционирования, в нелинейном фильтредополнительно могут обрабатываться GNSS-исходные измерения и IMU-данные. Темсамым, способ безотказен к затенениям сигнала и ограничениям геометрическихразмеров локальной системы вторичного радара.

Одним объектом изобретения является устройство для трехмерногопозиционирования летательного аппарата, имеющее наземный сегмент, включающийв себя несколько транспондеров, и пользовательский сегмент, находящийся налетательном аппарате и включающий в себя:

- базовую станцию вторичного радара, которая предназначена для измерениядальности до транспондеров и имеет по меньшей мере одну радарную антенну,

- GNSS-приемник, который предназначен для измерения GNSS-сигналов, иимеет GNSS-приемную антенну,

- инерциальный измерительный блок, который предназначен для определенияположения GNSS-приемной антенны, а также по меньшей мере одной радарнойантенны в связанной с летательным аппаратом общей системе координат, и

- интегрирующий процессор, в который подводятся измеренияпсевдодальности GNSS-приемника, радарные измерения дальности, и измеренные

Ñòð.: 5

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

RU 2 510 046 C2

инерциальным измерительным блоком перемещения GNSS-приемной антенны и поменьшей мере одной радарной антенны относительно осей общей системы координати который определяет трехмерную позицию общей опорной точки путем объединенияподведенных измерений и данных, при этом с учетом измеренных перемещений GNSS-приемной антенны и по меньшей мере одной радарной антенны производитсякомпенсация плеч, определяемых расстояниями от общей опорной точки до GNSS-приемной антенны, по меньшей мере одной радарной антенны и инерциальногоизмерительного блока.

Путем объединения измерений и данных из различных источников можно добитьсябезотказного и очень надежного определения трехмерной позиции находящейся впользовательском сегменте опорной точки, что важно, например, для безопасногозахода вертолета на посадку.

Вторичная базовая станция может быть выполнена для того, чтобы работать в C-диапазоне частот (IEEE) и использовать FMCW-радарные сигналы для измерениядальности.

В устройстве может быть предусмотрена инерциальная навигационная система,которая имеет инерциальный измерительный блок, и интегрирующий процессорвыполнен для выполнения вне операционной области системы вторичного радаратрехмерного позиционирования летательного аппарата с первой объединеннойнавигацией на базе измерений псевдодальности GNSS-приемника и инерциальныхнавигационных измерений инерциальной навигационной системы, и для выполнения впределах операционной области трехмерного позиционирования летательногоаппарата со второй объединенной навигацией на базе радарных измерений дальности,измерений псевдодальности GNSS-приемника, и инерциальных навигационныхизмерений инерциальной навигационной системы.

Таким образом, во время, например, фазы полета, в которой базовая станциявторичного радара слишком далеко удалена от транспондеров наземного сегмента,определение трехмерной позиции производится на основании GNSS и инерциальнойнавигации, а во время фазы подлета к месту посадки вблизи транспондеров длятрехмерного позиционирования дополнительно подключается измерение дальностимежду антенной/антеннами радаров и транспондерами, которое имеет более высокийвесовой коэффициент, чем измерение псевдодальности GNSS-приемника, чтообусловлено меньшей вариативностью измерений. Тем самым, в различных фазахполета можно добиться оптимального трехмерного позиционирования относительнодоступных измерений и соответствующей им вариативности измерений.

Для решения имеющихся проблем фильтрации интегрирующий процессор можетиметь сигма-точечный фильтр Калмана для обработки измеренияпсевдодальности GNSS-приемника, IMU-данных и радарных измерений дальности.Использование сигма-точечного фильтра Калмана позволяет предотвратить полноепренебрежение членами второго или высшего порядка, что происходило бы прилинеаризации измерительных уравнений. Учет нелинейностей важен, прежде всего, приизмерениях с помощью вторичного радара из-за малых дистанций междупользовательским сегментом и транспондерными станциями, так как здесь членамивторого порядка в отношении замеренного уровня шума без последствий пренебречьнельзя.

Сигма-точечный фильтр Калмана может быть предназначен для определениякорректировочных данных инерциальной навигационной системы из измеренийпсевдодальности GNSS-приемника и радарных измерений дальности, и

Ñòð.: 6

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

RU 2 510 046 C2

интегрирующий процессор может выполнять алгоритм бесплатформеннойинерциальной навигационной системы (Strapdown-Algorithmus), которая на основекорректирующих данных и измеренных инерциальным измерительным блокомперемещений устройства относительно осей общей системы координат определяеттрехмерную позицию.

Альтернативно, сигма-точечный фильтр Калмана может быть выполнен дляопределения трехмерной позиции на основании измерений псевдодальности GNSS-приемника, радарных измерений дальности и INS - навигационного решения, иопределенная трехмерная позиция в целях калибровки может объединяться черезсистему обратной связи с инерциальной навигационной системой устройства.

Прежде всего, сигма-точечный фильтр Калмана должен исходить не излинеаризации наклонной дальности между по меньшей мере одной радарной антеннойи одним транспондером, но и также может учитывать нелинейные члены, преждевсего члены второго порядка.

Прежде всего, наклонная дальность r может быть аппроксимирована сиспользованием следующей нелинейной функции, которая также учитывает членывторого порядка:

,

где - трехмерный вектор позиции в момент времени k между транспондером

ТР и радарной антенной U, где - текущая точка приближения, где -

вектор частной производной от r в точке , и где - матрица второй частной

производной от r в точке .

Для решения проблемы нелинейной фильтрации в нелинейном фильтре можетиспользоваться способ оптимизации, для оптимизации может использоваться, преждевсего, сигма-точечный фильтр Калмана или фильтр 2-го порядка.

Далее, нелинейный фильтр может реализовывать модель состояния, которая взависимости от применения устройства имеет линейные или нелинейные уравнениясостояния.

Преимущественной областью использования изобретения является его применениена борту летательного аппарата для навигации при подлете к посадочной площадке, вкраевых областях которой размещены несколько транспондеров вторичного радарадля базовой станции вторичного радара устройства.

Еще одним объектом изобретения является способ трехмерного позиционированиялетательного аппарата, включающий:

- прием радарных измерений дальности от установленной на летательном аппаратебазовой станции вторичного радара, которая предназначена для измерения дальностидо транспондеров и имеет по меньшей мере одну радарную антенну,

- прием измерений псевдодальности от установленного на летательномаппарате GNSS-приемника, который предназначен для измерения GNSS-сигналов иимеет GNSS-приемную антенну,

- прием измерений перемещения GNSS-приемной антенны и по меньшей мере однойрадарной антенны от установленного на летательном аппарате инерциальногоизмерительного блока, который предназначен для того, чтобы определятьположение GNSS-приемной антенны, а также по меньшей мере одной радарнойантенны в связанной с летательным аппаратом общей системе координат, и

Ñòð.: 7

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

RU 2 510 046 C2

- определение трехмерной позиции общей опорной точки путем объединенияизмерений псевдодальности GNSS-приемника, радарных измерений дальности, иполученных инерциальным измерительным блоком измерений перемещения GNSS-приемной антенны и по меньшей мере одной радарной антенны с учетом компенсацииплеч, определяемых расстояниями от общей опорной точки до GNSS-приемнойантенны, по меньшей мере одной радарной антенны и инерциального измерительногоблока. Компенсация плеч обеспечивает, что в завершение все измерения будутотноситься к одной и той же опорной точке. Компенсация плеч требуется потому,что GNSS-приемная антенна, радарная (радарные) антенна (антенны), иинерциальный измерительный блок в стандартном случае пространственно разнесены.

Способ может быть реализован, например, в бортовом компьютере летательногоаппарата, например самолета или вертолета, в котором уже имеются GNSS-приемники GNSS-приемная антенна, а также инерциальный измерительный блок и, принеобходимости, система вторичного радара. Это позволяет оснастить и улучшитьимеющуюся полетную навигационную систему, благодаря чему уже при заходе напосадку обеспечивается точное и надежное трехмерное позиционирование. Способможет быть реализован как программное обеспечение, которое может выполняться вбортовом компьютере.

Далее способ может отличаться следующими шагами:- нелинейная фильтрация для определения корректирующих данных INS-

навигационного решения из принятых измерений псевдодальности и принятыхрадарных измерений дальности, и

- выполнение алгоритма бесплатформенной инерциальной навигационной системыдля определения трехмерной позиции на основании корректирующих данных ипринятых измерений перемещения, или

- нелинейная фильтрация для определения трехмерной позиции на основаниипринятых измерений псевдодальности, принятых радарных измерений дальности, ипринятого INS-навигационного решения.

Нелинейная фильтрация может использовать аппроксимацию наклонной дальностимежду по меньшей мере одной радарной антенной и транспондером посредствомнелинейной функции, прежде всего в особом случае квадратичной функции, преждевсего в особом случае аппроксимация наклонной дальности r с использованиемследующей нелинейной функции:

,

где - трехмерный вектор позиции в момент времени k между

транспондером TP и устройством U, где - текущая точка приближения, где

- вектор частной производной от r в точке , и где - матрица

второй частной производной от r в точке .

При нелинейной фильтрации для решения проблемы нелинейной фильтрации внелинейном фильтре может использоваться нелинейный способ оптимизации, преждевсего сигма-точечный фильтр Калмана или фильтр 2-го порядка.

Предлагаемое изобретение согласно следующей форме выполнения относится ккомпьютерной программе для выполнения способа согласно одной формевыполнения предлагаемого изобретения и компьютерному программному продукту,включающего в себя выполненный с возможностью машинного считывания носитель

Ñòð.: 8

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

RU 2 510 046 C2

программы, на котором компьютерная программа может быть сохранена в формеуправляющих сигналов с возможностью электронного и/или оптического считывания.

Следующие преимущества и возможности применения предлагаемого изобретениявытекают из нижеследующего описания в сочетании с показанными на чертежахпримерами выполнения.

В описании, в формуле изобретения, в реферате и в чертежах используютсяпримененные в приведенном внизу списке ссылочных обозначений термины исоответствующие ссылочные обозначения.

Чертежи показывают наФиг.1 - пример выполнения системной архитектуры устройства трехмерного

позиционирования согласно изобретению,Фиг.2 - доступность и задание весовых коэффициентов данных от датчиков в

пользовательском сегменте на протяжении глиссады согласно изобретению,Фиг.3 - объединенный подход для данных от датчиков вторичного радара,

данных GNSS-приемника, и IMU-данных от датчиков согласно изобретению, иФиг.4 - объединенный подход для данных от датчиков вторичного радара и

данных GNSS-приемника датчиков, интегрированных с навигационными решениямиинерциальной навигационной системы согласно изобретению.

В последующем описании одинаковые, функционально одинаковые ифункционально взаимосвязанные элементы могут быть снабжены одинаковымиссылочными обозначениями. В дальнейшем абсолютные значения приведены лишь вкачестве примера, и их не следует понимать как ограничивающие изобретение.

Далее описывается системная архитектура основанной на вторичном радаресистемы трехмерного позиционирования и объединенного нелинейногофильтрующего подхода на основании показанного на фиг.1 устройства 10 дляточного трехмерного позиционирования в пространственно ограниченной областисогласно изобретению. Архитектура имеет наземный сегмент с посадочнойплощадкой для вертолета и пользовательский сегмент, который находится навертолете.

Системная архитектураНаземный и пользовательский сегмент устройства 10 для точного трехмерного

позиционирования в пространственно ограниченной области имеет следующиеэлементы:

1) Наземный сегмент:Изменяемое количество транспондеров 14 вторичного радара, расположение

которых может быть согласовано с локальными условиями, и ориентация антеннкоторых может быть оптимизирована с точки зрения конкретного применения.Транспондеры могут быть расположены, например, по краям зоны захода на посадку,на фиг.1 вокруг вертолетной посадочной площадки 26, чтобы таким образом спомощью радара распознать посадочную площадку, прежде всего при плохихпогодных условиях, например при наземном тумане.

2) Пользовательский сегмент:a. Базовая станция 12 вторичного радара по меньшей мере с одной радарной

антенной 16, размещение которой может быть оптимизировано в зависимости отобласти применения для того, чтобы избежать затенения радарных сигналов иэффекта от нескольких лепестков излучения. Возможно беспроблемное расширение додвух или более радарных антенн. Хотя в пользовательском сегменте могут бытьприменены также и несколько радарных антенн, нижеследующие описания для

Ñòð.: 9

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

RU 2 510 046 C2

улучшения наглядности исходят из наличия единственной радарной антенны.Излученные базовой станции радарные сигналы (пунктирные линии на фиг.1)переизлучаются транспондерами 14 наземного сегмента в виде ответного сигнала.

b. GNSS (Global Navigation Satellite System) - приемник 18 с GNSS-антенной 20. GNSS-приемник может являться, например, приемником сигналов NAVSTAR-GPS, GLONASSили будущей европейской GNSS GALILEO.

c. IMU (инерциальный измерительный блок) 20 для возможности определенияположения GNSS-приемной антенны и радарной (радарных) антенны (антенн) всвязанной с пользовательским сегментом системе координат.

d. (Навигационный) компьютер 24, в котором происходит объединение данных отдатчиков и расчет трехмерной позиции пользователя. Компьютер 24 включает в себятакже интегрирующий процессор для данных от датчиков с использованиемвышеописанного объединенного нелинейного фильтра, который детальноописываются далее.

Если соответствующий пользовательский сегмент в стандартном выполнении имеетдополнительные датчики (например, альтиметр), то эти дополнительные данные отдатчиков также могут быть привлечены для генерации решения позиционирования.Показанная на фиг.1 структура датчиков представляет собой минимальный объемустройства, в котором система 12, 14 вторичного радара является ключевымкомпонентом. Уже в этой минимальной комплектации можно достичь достаточнохорошей производительности. Для того чтобы получить лучшие результаты примоделировании времени задержки сигнала в тропосфере, является возможнымрасширение датчиками температуры, давления и влажности.

Координаты транспондерных антенн 14 в абсолютной системе координатпользовательскому сегменту известны для того, чтобы он мог рациональноиспользовать измерения дальности радара в нелинейном фильтре. Информация окоординатах транспондеров может быть либо статически сохранена в памятипользовательского сегмента, либо динамически передаваться через линию передачиданных в пользовательский сегмент. Если транспондер 14 находится на подвижнойплатформе, например на авианосце, то абсолютные координаты транспондерадолжны динамически корректироваться.

Система 12, 14 вторичного радара работает в С-диапазоне частот (IEEE) и дляопределения дальности использует FMCW (FMCW: Frequency Modulated ContinuousWave) - радарные сигналы. В пределах от малого до среднего радиуса действия оттранспондеров 14 наземного сегмента на базовой станции 12 вторичного радарапользовательского сегмента доступны точные измерения дальности. В пределахданной пространственно ограниченной области может производиться высокоточноетрехмерное позиционирование. Решение задачи позиционирования в пределахоперационной области отличается высокой доступностью и непрерывностью, а такжеочень малым интегрированным риском того, что не будут распознаны недопустимобольшие ошибки позиционирования.

Наряду с измерениями дальности с малым уровнем шумов, системой 12, 14вторичного радара нелинейным фильтром обрабатываются также и GNSS-измеренияпсевдодальности с более высоким уровнем шумов по следующим причинам: Системавторичного радара перекрывает лишь ограниченную операционную область и, какправило, устанавливается только там, где, наряду с малым интегрированным риском,требуются высокая точность позиционирования, доступность и непрерывность, нафиг.1 - на посадочной площадке 26. За пределами этой области требования к решению

Ñòð.: 10

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

RU 2 510 046 C2

задачи позиционирования, как правило, ниже. С помощью соответствующегоизобретению устройства можно добиться улучшения решения задачи трехмерногопозиционирования с приближением к критической операционной области, например кпоказанной на фиг.1 вертолетной посадочной площадке 26. Эта концепция на фиг.2разъясняется на примере пути захода на посадку или же глиссады: За пределамиоперационной области 28 вторичного радара (точечная линия на фиг.2) измерениядальности радара с малым уровнем шумов недоступны, так что решение задачитрехмерного позиционирования базируется исключительно на объединенном(дифференциал) GNSS/INS (Inertial Navigation System) навигационном решении. Внутриоперационной области 28 определяется объединенное вторичныйрадар/(дифференциал) GNSS/INS-навигационное решение. При этом в нелинейномфильтре GNSS-измерениям псевдодальности по причине повышенной дисперсииизмерений может присваиваться существенно меньший весовой коэффициент, чемрадарным измерениям дальности, которые имеют соответственно пониженнуюдисперсию измерений.

В операционной области 28 вторичного радара, то есть вблизи посадочнойплощадки 26 на фиг.1, измерения псевдодальности с повышенным уровнем шумов попрежнему могут учитываться нелинейным фильтром с меньшим весовымкоэффициентом, вместо того, чтобы обрабатывать только измерения дальностирадара с малым уровнем шумов. Тем самым количество транспондеров 14 в системеможно поддерживать на небольшом уровне, и способ позиционирования менеевосприимчив к отсутствиям измерения дальности между базовой станцией 12вторичного радара и отдельными транспондерами 14 из-за затенений сигнала. Еслидля позиционирования будут использоваться исключительно измерения дальностирадара, то могут появиться слишком большие VDOPs (Vertical Dilution Of Precision)(погрешности позиционирования по вертикали) за счет того, что антеннытранспондеров 14 и радарная антенна 16 пользовательского сегмента находятсяприблизительно в одной плоскости. При комбинации измерений спутниковыхсигналов и измерений радарных сигналов в объединенном фильтрующем подходевнутри операционной области получаются очень хорошие значения HDOP (HorizontalDilution Of Precision) (погрешность позиционирования по горизонтали) и VDOP.

Пользовательский сегмент располагает тремя вращательными степенями свободы впространстве. Для концепции трехмерного позиционирования требуется знаниеуглового положения пользовательского сегмента, так как на стороне пользователяиспользуются две пространственно разнесенные антенны (радарная антенна 16и GNSS-приемная антенна 20 на фиг.1) для GNSS-сигналов и радарных сигналов.Требуемая информация об углах получается посредством интеграции IMU 20. Темсамым, GNSS-измерения и радарные измерения могут быть привязаны к общейнулевой или же опорной точке за счет того, что производится компенсация плеча.Другими положительными аспектами применения IMU 20 является то, чтоинерциальная система имеет высокую доступность, могут быть достигнуты высокиескорости передачи данных, и может быть найдено полное решение навигационнойзадачи для всех шести степеней свободы пользовательского сегмента.

Объединенный нелинейный фильтрующий подходДля достижения высокоточного трехмерного позиционирования на стороне

пользователя объединяются нижеперечисленные данные от датчиков. На основаниивыбранной комбинации датчиков может быть найдено полное решениенавигационной задачи, выходящее за рамки только лишь указания трехмерной

Ñòð.: 11

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

RU 2 510 046 C2

позиции. Для того чтобы объединение данных от датчиков привело к высокоточномурешению задачи позиционирования, в измерительной модели фильтра учитываютсяпространственные различия между GNSS-антенной позицией, позицией (позициями)радарной (радарных) антенны (антенн), и ISA (Inertial Sensor Assembly). Различиямежду опорными точками данных от датчиков (фазовый центр GNSS-антенны,фазовый центр радарной антенны, ISA) определяются при установке системы,например, в координатах North-East-Down (NED). В дальнейшем описании в качествеобщей опорной точки выбран ISA, так что после установки системы задаются обавектора смещения и . Посредством применения в пользовательском

сегменте IMU 22 предусмотрена возможность наблюдения углов бокового наклона,тангажа и рыскания (Roll, Pitch и Yaw) пользовательского сегмента. С помощьюнепрерывно обновляемой информации об угловом положении и заранее заданныхвекторов смещения и обеспечивается задание GNSS-уравнений

наблюдаемости и уравнений наблюдаемости радаров относительно общей (нулевой)системы координат.

Далее приводится список выходных данных датчиков по отдельности. Обработканекоторых данных является факультативной, так что можно выбирать в фильтремежду более высокими вычислительными затратами и увеличениемпроизводительности за счет использования дополнительных независимых измерений.

Система 12 вторичного радара на стороне пользователя поставляет результатыследующих измерений:

- наклонные дальности до n транспондеров 14 наземного сегмента,- факультативно: скорость изменения удаления до n транспондеров 14 наземного

сегмента,- относящиеся к измерениям качественные коэффициенты и/или дисперсии GNSS-

приемник 18 поставляет следующие величины в качестве выхода датчика:- псевдоудаление (наклонная дальность плюс погрешности) до m спутников,- факультативно: допплеровские измерения до m спутников,- факультативно: ADR (Accumulated Doppler Range) до m спутников,- факультативно: дифференциальные корректирующие данные (например, SBAS),

которые накладываются на измерения GNSS-приемника,- стандартные отклонения измерений.IMU 22 поставляет результаты измерений для:- ускорения на ось, угловой скорости на ось.Фиг.3 показывает объединенный подход для данных от датчика вторичного

радара, GNSS-приемника и IMU, при котором "исходные" измерения ускорений иугловой скорости от IMU 22 обрабатываются в интегрирующем процессоре 30.Измерения дальности, дисперсии измерений и, при необходимости, измерения скоростиизменения дальности базовая станция 12 вторичного радара направляет впредварительный фильтр 32 данных интегрирующего процессора 30. Далее измеренияпсевдодальности (PSR), дисперсии измерений и, при необходимости,дифференциальные корректирующие данные, ADR - измерения и допплеровскиеизмерения подводятся в предварительный фильтр 34 коррекций и данныхинтегрирующего процессора 30. Выходные данные обоих фильтров 32 и 34 подводятсяв нелинейный фильтр 36 интегрирующего процессора 30, который на основанииданных измерений и INS-навигационного решения рассчитывает корректирующиеданные 38, которые для определения трехмерной позиции обрабатываются по

Ñòð.: 12

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

RU 2 510 046 C2

выполняемому интегрирующим процессором 30 алгоритму бесплатформеннойинерциальной навигационной системы. В алгоритм 38 бесплатформеннойинерциальной навигационной системы затем добавляются ускорения и угловыескорости и, при необходимости, дисперсии измерений, которые были измерены IMU 22.Эти измеренные движения устройства 10 также обрабатываются алгоритмом 38бесплатформенной инерциальной навигационной системы. В качестве результатаинерциальный процессор 30, наряду с трехмерной позицией, может выдавать такиедополнительные данные, как ковариантности, скорость, ускорение, положение.

Если на стороне пользователя IMU уже интегрирован в навигационный компьютер,то INS-навигационное решение может, как для показанного на фиг.4 объединенногоподхода для данных от датчиков от вторичного радара и GNSS-приемника,обрабатываться непосредственно в интегрирующем процессоре 31. В нелинейныйфильтр 37 интегрирующего процессора 31 подводятся отфильтрованные выходныеданные обоих фильтров 32 и 34, и определенная инерциальной навигационнойсистемой (INS) 23 трехмерная позиция, скорость, положение, матрица ковариантностисостояний и, при необходимости, ускорение устройства 10. В отличие от показанногона фиг.3 подхода, нелинейный фильтр 37 на основании полученных данныхопределяет не корректирующие данные, а трехмерную позицию устройства 10,которую выдает интегрирующий процессор 31, прежде всего с такими дополнительноопределенными данными, как ковариантности, скорость, ускорение, положение,время. Найденное решение задачи позиционирования также используется дляподдержки отдельной инерциальной навигационной системы.

Далее разъясняются оба используемых в интегрирующих процессорах 30 и 31способа интеграции данных от измерительных датчиков вторичного радара, GNSS-приемника и IMU в нелинейных фильтрах 36 и 37. Способы следует использоватьальтернативно друг другу.

Нелинейная измерительная модель используется для измерений вторичного радарапо причине малых дистанций между пользовательским сегментом и транспондернымистанциями и быстро изменяющейся геометрии пользователь/транспондер воперационной области. Радарное измерение дальности sk между транспондером ТР ипользователем U с трехмерным вектором проекции на момент времени k можно

выразить следующим образом:

с геометрической наклонной дальностью

При этом νk является замеренным уровнем шума дополнительно к такимнескорректированным компонентам погрешностей, как многонаправленность ипогрешности калибровки. Функция r в текущей точке приближения

аппроксимируется не как обычно при GNSS-измерениях посредством линейнойфункции. Существует возможность аппроксимировать r посредством квадратичнойфункции r, которая лучше отображает нелинейности системы вторичного радара:

где ректор частной производной от r в точке , и матрица

Ñòð.: 13

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

RU 2 510 046 C2

второй частной производной от r в точке . Для оптимизации можно использовать,

например, фильтр 2-го порядка. Для решения имеющейся проблемы нелинейногофильтра также хорошо подходит сигма-точечный фильтр Калмана. В общем случаеследует использовать нелинейный способ оптимизации так, чтобы не исходить изпростой линеаризации уравнений наклонной дальности.

Используемые в фильтре модели состояния могут корректироваться с помощьюконкретных приложений. В зависимости от приложения лучшую пригодность могутпоказать линейные или нелинейные уравнения состояния.

Безотказность системыОписанный способ безотказен в условиях преднамеренного глушения, так как не

все выбранные здесь датчики одновременно и в одинаковой мере поддаютсявоздействию одной станции активного радиоэлектронного подавления. В то времякак GNSS работает в L-диапазоне частот, радарная система эксплуатируется в C-диапазоне частот. Следующее существенное различие заключается в том, что GNSS-приемник в пользовательском сегменте является пассивным, в то время как базоваястанция вторичного радара в пользовательском сегменте является активнымкомпонентом. На основании высокой степени дублирования измерений в пределахкритической операционной области помеху GNSS или радарной системе можнопростым способом детектировать. Далее надежность системы повышается врезультате применения IMU, который в существенной степени невосприимчив кстанциям активного радиоэлектронного подавления. Выдаче интегрирующимпроцессором решения задачи трехмерного позиционирования предшествует проверкацелостности решения. Наряду с чистыми способами распознавания погрешности, винтегрирующем вычислителе могут быть также реализованы способы исключенияпогрешностей, благодаря чему достигается очень высокая доступность решениязадачи позиционирования.

Посредством предлагаемого изобретения и форм выполнения изобретения можнодобиться, прежде всего, следующих преимуществ:

- наряду с высокой точностью трехмерного решения позиционирования можноодновременно добиться высокой доступности, непрерывности и целостности решениязадачи позиционирования в пределах ограниченной пространственной области,

- предусмотрена возможность достижения высокой скорости обновления решенийзадач позиционирования.

- система надежнее других предложенных систем для PALS (Precision Approach andLanding Systems) в отношении активного подавления благодаря выбранномуобъединению данных от датчиков, которое комбинирует друг с другом различныепринципы измерений, и объединенному фильтрующему подходу.

- позиционирование происходит автономно на стороне пользователя: контрольцелостности решения задачи позиционирования может производитьсянепосредственно в пользовательском блоке. Это требует небольших усилий состороны оператора, и не требуется дополнительной передачи данных междуназемным и пользовательским сегментом,

- небольшие механические размеры, небольшая потребляемая мощность инебольшие затраты на приобретение и эксплуатацию дополнительной локальнойсистемы, то есть базовых станций вторичного радара и транспондерных станций,

- GPS-приемники и антенны, а также IMU уже установлены во многихпользовательских сегментах воздушного сообщения, так что на стороне пользователятребуется расширение всего лишь на базовую станцию вторичного радара и антенну

Ñòð.: 14

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

RU 2 510 046 C2

(антенны). Можно использовать существующие бортовые компьютеры дляреализации в них нелинейных алгоритмов фильтрации,

- наземный сегмент вторичного радара можно легко смонтировать также и намобильные платформы (например, авианосцы).

Предлагаемое изобретение обладает потенциалом для обеспечения трехмерногорешения позиционирования в ограниченной пространственной области (например, взоне вертолетных посадочных площадок) с требуемыми в воздушном сообщенииточностью, доступностью и целостностью. Тем самым, можно резко минимизироватьриск крушений, а также сэкономить время и расходы тем, что можно выполнятьавтономные посадки при плохой/отсутствующей видимости посадочной площадки. Ктому предлагаемое изобретение является надежным при наличии источников помех.

Ссылочные обозначения и аббревиатуры

10 Устройство трехмерного позиционирования

12 Базовая станция вторичного радара

14 Транспондер вторичного радара

16 Радарная антенна

18 GNSS-приемник/GNSS RX

20 GNSS-приемная антенна

22 IMU

23 INS

24 Навигационный компьютер

26 Вертолетная посадочная площадка

28 Операционная область вторичного радара

30, 31 Интегрирующий процессор

32 Предварительный фильтр данных радарных измерений дальности

34 Предварительный фильтр коррекций и данных измерений псевдодальности

36 Нелинейный фильтр

38 Алгоритм бесплатформенной инерциальной навигационной системы

FMCW Frequency Modulated Continuous Wave/частотно-модулированный радар непрерывного излучения

GNSS Global Navigation Satellite System/глобальная система спутниковой навигации

HDOP Horizontal Dilution Of Precision/снижение точности по горизонтали

IMU Inertial Measurement Unit/инерциальный измерительный блок

INS Inertial Navigation System/инерциальная навигационная система

ISA Inertial Sensor Assembly/структура инерциальных датчиков

NED North-East-Down/Север-Восток-Низ

RX Приемник

SBAS Satellite Based Augmentation System/базирующаяся на спутниках дополнительная система

VDOP Vertical Dilution Of Precision/снижение точности по вертикали

Формула изобретения1. Устройство (10) для трехмерного позиционирования летательного аппарата,

имеющее наземный сегмент, включающий в себя несколько транспондеров (14), ипользовательский сегмент, находящийся на летательном аппарате и включающий всебя:

- базовую станцию (12) вторичного радара, которая предназначена для измерениядальности до транспондеров (14) и имеет по меньшей мере одну радарнуюантенну (16),

- GNSS-приемник (18), который предназначен для измерения GNSS- сигналов, иимеет GNSS-приемную антенну (20),

- инерциальный измерительный блок (22), который предназначен для определенияположения GNSS-приемной антенны, а также по меньшей мере одной радарной

Ñòð.: 15

CL

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

RU 2 510 046 C2

антенны в связанной с летательным аппаратом общей системе координат, и- интегрирующий процессор (24, 30, 31), в который подводятся измерения

псевдодальности GNSS-приемника, радарные измерения дальности, и измеренныеинерциальным измерительным блоком (22) перемещения GNSS-приемной антенны ипо меньшей мере одной радарной антенны относительно осей общей системыкоординат, и который определяет трехмерную позицию общей опорной точки путемобъединения подведенных измерений и данных, при этом с учетом измеренныхперемещений GNSS-приемной антенны и по меньшей мере одной радарной антенныпроизводится компенсация плеч, определяемых расстояниями от общей опорнойточки до GNSS-приемной антенны, по меньшей мере одной радарной антенны иинерциального измерительного блока.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что базовая станция (12) вторичногорадара выполнена для того, чтобы работать в С-диапазоне частот (IEEE) ииспользовать FMCW-радарные сигналы для измерения дальности.

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что предусмотрена инерциальнаянавигационная система (23), которая имеет инерциальный измерительный блок (22), иинтегрирующий процессор (24, 30, 31) выполнен для выполнения вне операционнойобласти (28) системы вторичного радара трехмерного позиционированиялетательного аппарата с первой объединенной навигацией на базе измеренийпсевдодальности GNSS-приемника (18) и инерциальных навигационных измеренийинерциальной навигационной системы (23), и для выполнения в пределахоперационной области (28) базовой станции (12) вторичного радара трехмерногопозиционирования летательного аппарата со второй объединенной навигацией набазе радарных измерений дальности, измерений псевдодальности GNSS-приемника (18), и инерциальных навигационных измерений инерциальнойнавигационной системы (23).

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что интегрирующий процессор (24, 30, 31)имеет нелинейный фильтр (36, 37) для обработки измерений псевдодальности GNSS-приемника, IMU-данных, и радарных измерений дальности.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что предусмотрен нелинейный фильтр (36)для определения корректирующих данных INS-навигационного решения из измеренийпсевдодальности GNSS-приемника и радарных измерений дальности, иинтегрирующий процессор (30) выполняет алгоритм бесплатформенной инерциальнойнавигационной системы, который на основании корректирующих данных иизмеренных инерциальным измерительным блоком (22) перемещений устройстваотносительно осей общей системы координат определяет трехмерную позицию.

6. Устройство по п.4, отличающееся тем, что нелинейный фильтр (37) выполнен дляопределения трехмерной позиции на основании измерений псевдодальности GNSS-приемника, радарных измерений дальности, и INS-навигационного решения, иопределенная трехмерная позиция для калибровки объединяется по каналу обратнойсвязи с инерциальной навигационной системой (23) устройства.

7. Устройство по п.4, отличающееся тем, что нелинейный фильтр (36, 37)аппроксимирует наклонную дальность между, по меньшей мере, одной радарнойантенной (16) и одним транспондером (14) посредством нелинейной функции, преждевсего в особом случае посредством квадратичной функции, прежде всего в особомслучае наклонная дальность r аппроксимируется с использованием следующейнелинейной функции: 

Ñòð.: 16

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

RU 2 510 046 C2

,

где - трехмерный вектор позиции в момент времени k между

транспондером (14) и радарной антенной (16), где - текущая точка приближения,

где - вектор частной производной от r в точке и где - матрица

второй частной производной от r в точке .

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что нелинейный фильтр (36, 37) длярешения нелинейной проблемы фильтрации использует для оптимизации нелинейныйспособ оптимизации, прежде всего сигма-точечный фильтр Калмана или фильтр 2-гопорядка.

9. Устройство по одному из пп.4-8, отличающееся тем, что нелинейный фильтр (36,37) реализует модель состояния, которая в зависимости от применения устройстваимеет линейные или нелинейные уравнения состояния.

10. Способ трехмерного позиционирования летательного аппарата, включающий:- прием радарных измерений дальности от установленной на летательном аппарате

базовой станции (12) вторичного радара, которая предназначена для измерениядальности до транспондеров (14) и имеет по меньшей мере одну радарнуюантенну (16),

- прием измерений псевдодальности от установленного на летательномаппарате GNSS-приемника (18), который предназначен для измерения GNSS-сигналови имеет GNSS-приемную антенну (20),

- прием измерений перемещения GNSS-приемной антенны и по меньшей мере однойрадарной антенны от установленного на летательном аппарате инерционногоизмерительного блока (22), который предназначен для того, чтобы определятьположение GNSS-приемной антенны, а также по меньшей мере одной радарнойантенны в связанной с летательным аппаратом общей системе координат, и

- определение трехмерной позиции общей опорной точки путем объединенияизмерений псевдодальности GNSS-приемника, радарных измерений дальности, иполученных инерциальным измерительным блоком измерений перемещения GNSS-приемной антенны и по меньшей мере одной радарной антенны с учетом компенсацииплеч, определяемых расстояниями от общей опорной точки до GNSS-приемнойантенны, по меньшей мере одной радарной антенны и инерциального измерительногоблока.

11. Способ по п.10, отличающийся тем, что выполняют следующие шаги:- нелинейная фильтрация (36) для определения корректирующих данных INS-

навигационного решения из принятых измерений псевдодальности и принятыхрадарных измерений дальности, и

- выполнение алгоритма (38) бесплатформенной инерциальной навигационнойсистемы для определения трехмерной позиции на основании корректирующих данныхи принятых измерений перемещения, или

- нелинейная фильтрация (37) для определения трехмерной позиции на основаниипринятых измерений псевдодальности, принятых радарных измерений дальности, ипринятого INS-навигационного решения.

12. Способ по п.10 или 11, отличающийся тем, что нелинейная фильтрация (36, 37)включает в себя аппроксимацию наклонной дальности между, по меньшей мере,одной радарной антенной (16) и одним транспондером (14) посредством нелинейной

Ñòð.: 17

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

RU 2 510 046 C2

функции, прежде всего в особом случае квадратичной функции, прежде всего в особомслучае аппроксимации наклонной дальности r с использованием следующейнелинейной функции: 

,

где - трехмерный вектор позиции в момент времени k между

транспондером (14) и радарной антенной (16), где - текущая точка приближения,

где - вектор частной производной от r в точке , и где - матрица

второй частной производной от r в точке .

13. Способ по п.12, отличающийся тем, что нелинейная фильтрация (36, 37) длярешения нелинейной проблемы фильтрации использует для оптимизации нелинейныйспособ оптимизации, прежде всего сигма-точечный фильтр Калмана или фильтр 2-гопорядка.

Ñòð.: 18

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

RU 2 510 046 C2

Ñòð.: 19

DR

RU 2 510 046 C2

Ñòð.: 20