Способ выработки навигационных параметров и вертикали места (варианты)
Изобретение относится к технике приборостроения, а именно к навигационным приборам для определения основных навигационных параметров позиционирования воздушных и наземных объектов. Технический результат - повышение точности за счет расширения динамического диапазона измерения гироскопической вертикали. Для достижения данного результата управляющие сигналы гироплатформы или модели гироплатформы формируют из условия обеспечения при отсутствии баллистических девиаций периода собственных колебаний гироплатформы или модели гироплатформы, отличного от периода Шулера. При этом обеспечивают асимптотическую устойчивость (автономное демпфирование) каждой инерциальной системы или модели инерциальной системы. 4 н.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к гироскопическому приборостроению и может быть использовано для обеспечения навигации морских, воздушных и наземных объектов.
Известен способ выработки навигационных параметров и вертикали места, включающий измерение составляющих кажущегося ускорения при помощи акселерометров, оси чувствительности которых связаны с гироплатформой, формирование сигналов управления гироплатформой, отработку сформированных сигналов при помощи гироскопа или датчиков абсолютной угловой скорости [1], или включающий измерение составляющих кажущегося ускорения при помощи акселерометров, измерение сигналов гироскопов или датчиков абсолютной угловой скорости, оси чувствительности которых направлены по осям приборного трехгранника, аналитическое решение задачи ориентации путем моделирования работы инерциальной системы [2], выработку навигационных параметров и вертикали места.
Недостатком известного способа являются ограниченные возможности точностных и динамических характеристик.
Целью изобретения является повышение точностных характеристик и расширение динамических возможностей способа.
Технический эффект достигается тем, что управляющие сигналы гироплатформы или модели гироплатформы формируют из условия обеспечения при отсутствии баллистических девиаций периода собственных колебаний гироплатформы или модели гироплатформы, отличного от периода Шулера, тем, что используя разности одноименной информации, выработанные инерциальными системами или их моделями с разными периодами собственных колебаний, обеспечивают асимптотическую устойчивость (автономное демпфирование) каждой инерциальной системы или модели инерциальной системы, тем, что используя разности одноименной информации, выработанные инерциальными системами или их моделями с разными периодами собственных колебаний (с разными параметрами "n") обеспечивают оценку инструментальных погрешностей, тем, что, увеличивая направляющую силу к компасному меридиану, повышают точность выработки курса объекта и уменьшают время готовности.
Можно привести несколько примеров инерциальных систем для осуществления способа. Это инерциальная система с линейной коррекцией с гироплатформой в двухосном и в трехосном карданных подвесах. Это инерциальная система с линейной коррекцией при совместной работе с инерциальной системой с интегральной коррекцией. Это инерциальная система в бесплатформенном исполнении. Рассмотрим наиболее общий случай.
На чертеже представлена функциональная блок-схема инерциальной системы для осуществления способа (см. фиг.1).
Рассматриваемая инерциальная система с линейной коррекцией состоит из двух конструктивно идентичных стабилизированных гироплатформ 1 и 1` и блока 2 - блока управления и выработки выходных параметров. На каждой стабилизированной гироплатформе расположен один трехстепенной гироскоп 3 и 3`. При этом кинетический момент гироскопа перпендикулярен плоскости стабилизированной гироплатформы. Гироскопы имеют датчики 4, 5 и 4`, 5` моментов и датчики углов 6, 7 и 6`, 7`. Кроме того, на каждой стабилизированной гироплатформе установлены акселерометры 8, 9 и 8`, 9`. Оси чувствительности акселерометров на каждой гироплатформе ортогональны между собой и параллельны плоскости гироплатформы. Ось одного акселерометра параллельна внутренней оси карданного подвеса гироплатформы. Наружные оси карданных подвесов 11 и 11` установлены в общем карданном кольце 18 (см. фиг.2). Ось общего карданного кольца установлена на стабилизированной в горизонте платформе 19. Оси 11 и 11` параллельны плоскости стабилизированной платформы 19 и параллельны между собой. На оси общего карданного кольца расположены двигатель 20 и датчик курса 21. На общем кольце 18 размещены также датчики углов 16 и 16`, замеряющие скоростные девиации и и двигатели 14 и 14`. Выходы датчиков углов 6, 7 и 6`, 7` углов гироскопов 3 и 3` через посредство усилителей 12, 13 и 12`, 13` соединены с входами двигателей 14, 15 и 14`, 15`, которые связаны с осями карданного подвеса. С этими же осями связаны датчики углов 16, 17 и 16`, 17`. Входы датчиков 4, 5 и 4`, 5` момента гироскопов 3 и 3` соединены с соответствующими выходами блока 2 управления и выработки выходных параметров. Выходы акселерометров 8, 9 и 8`, 9` и датчики углов 16, 17 и 16`, 17` соединены с соответствующими входами блока 2. Информационно блок 2 связан с инерциальной системой с интегральной коррекцией. Выходами блока 2 для потребителей являются К - курс объекта, ϕ - широта места, λ - долгота места, θ и ψ - углы бортовой и килевой качек.
Функционирует предлагаемая система следующим образом. Каждая гироплатформа с помощью двигателей 14, 15 и 14`, 15` соответственно по сигналам рассогласования датчиков углов 6, 7 и 6`, 7` гироскопов 3 и 3` все время удерживается в одной плоскости с кожухом гироскопа.
Кожух каждого гироскопа вместе с гироплатформой приводится в положение, соответствующее заданному значению скоростной девиации для данной гироплатформы, с помощью моментов, накладываемых через датчики моментов 4, 5 и 4`, 5` гироскопов 3 и 3` токами управления по сигналам, вырабатываемым в блоке 2. Поскольку заданные значения скоростных девиаций различны для каждой гироплатформы, разности показаний датчиков углов 16 и 16` являются исходными источниками информации для определения горизонтальной составляющей абсолютной угловой скорости трехгранника Дарбу. Плоскость общего карданного кольца 18 с помощью следящего двигателя 20 все время удерживается в направлении, перпендикулярном плоскости компасного меридиана.
В качестве исходной системы координат выберем сопровождающий трехгранник Дарбу E0N0ζ0, ориентированный осью ON0 по горизонтальной составляющей абсолютной угловой скорости 
. Тогда проекции абсолютной угловой скорости трехгранника E0N0ζ0 на его оси будут O; ; r. Проекции ускорения вершины трехгранника E0N0ζ0 на его оси суть 
; rV; g где g - ускорение силы тяжести.
С кожухом гироскопа первой гироплатформы жестко свяжем правую систему координат E1N1ζ1. С кожухом гироскопа второй гироплатформы - систему координат E2N2ζ2. Систему координат E1N1ζ1 получим поворотами вокруг оси OE0 на угол α1 и вокруг вспомогательной оси ON1,1 на угол β1. Систему координат E2N2ζ2 получим поворотами вокруг оси ОЕ0 на угол α2 и вокруг вспомогательной оси ON2,1 на угол β2.
Проекции абсолютной угловой скорости трехгранников E1N1ζ1 и E2N2ζ2 на их оси OE1; ON1; OE2; ON2 будут
Проекции ускорения вершин трехгранников E1N1ζ1 и E2N2ζ2 на оси OE1, ON1 и OE2; ON2 будут
где Δр1 Δр2 Δq1 Δq2 - дрейфы гироскопов;
- погрешности акселерометров.
Для обеспечения периода собственных колебаний гироплатформы, отличного от периода Шулера, инвариантные значения скоростных девиаций могут иметь вид:
или
а сигналы управления гироскопами в системах координат E1N1ζ1 и E2N2ζ2 могут иметь различный вид, например,
где ω0 - частота Шулера;
n1, n2 - параметры системы.
Примем n2=-n1-n.
2αпр=α2-α1 - разность показаний датчиков угла 16`и 16.
Для обеспечения инвариантных значений скоростных девиаций, например,
сигналы управления гироскопами могут иметь вид:
Сигнал, обеспечивающий устойчивость управления двигателем 20, будет
где ΔK - погрешность выработки компасного курса;
F - передаточная функция;
β2-β1 - разность показаний датчиков угла 17`и 17.
При n>1 увеличивается направляющая сила, воздействующая на гироскоп и тем самым уменьшается влияние дрейфа гироскопа на точность вырабатываемых параметров.
При этом существенно повышается точность выработки курса объекта.
По значению угла αпр вырабатывают горизонтальную составляющую абсолютной угловой скорости из соотношений:
Вертикальную составляющую абсолютной угловой скорости трехгранника Дарбу вырабатывают из соотношения:
По значениям 
rпр и курсу компасному Kгк вырабатывают координаты места ϕ и λ и курс объекта K.
Для иллюстрации достижения поставленной задачи сформируем управляющие сигналы гироплатформ или модели гироплатформ в соответствии с выражениями (1).
Уравнения функционирования системы будут:
Уравнения ошибок гироплатформы или модели гироплатформы без учета влияния членов с вертикальной составляющей абсолютной угловой скорости r будут:
где 
- погрешности выработки вертикали места.
При этом 
где Δα1; β1 - ошибки одной гироплатформы;
Δα2; β2 - ошибки другой гироплатформы;
Как следует из уравнений (2) и (3), частота собственных колебаний гироплатформ при отсутствии баллистических девиаций по координатам 
будет nω0cosα, а по координатам - ω0cosα. Отсюда следует, что частоты собственных колебаний гироплатформ отличаются от частоты ω0 - частоты Шулера. При этом степень отличия зависит от параметра "n".
Т - период Шулера. Как следует из уравнений (3), направляющая сила к компасному меридиану будет nω0cosα, а ошибка выработки курса объекта при аналитическом решении задачи инерциальной системы будет 
т.е. уменьшается в (ncosα)2 раз.
На фиг.3 представлена схема инерциальной системы с линейной коррекцией с гироплатформой в двухосном карданном подвесе. Можно показать, что погрешность выработки компасного курса в этом случае будет:
где ω - угловая скорость Земли; ϕ - широта места.
Обобщенная координата 
наблюдаема.
На фиг.4 представлена схема инерциальной системы с линейной коррекцией с гироплатформой в трехосном карданном подвесе. Двигатель 20 управляется датчиком угла 17 по сигналу β1. Двигатель 20` управляется датчиком угла 17` по сигналу β2. Можно показать, что погрешность выработки компасного курса в этом случаи будет: 
Обобщенная координата 
наблюдаема.
Инерциальная система с интегральной коррекцией, обеспечивающая стабилизацию гироплатформ в горизонте, по горизонтальным составляющим абсолютной угловой скорости трехгранника Дарбу может определять самостоятельно значения компасного курса объекта 
и значение самой горизонтальной составляющей абсолютной угловой скорости 
. По показаниям акселерометров инерциальная система может определять проекции ускорения вершины трехгранника Дарбу E0N0ζ0 на его оси ON0 и OE0
Указанная информация вместе с одноименной информацией, выработанной рассматриваемой инерциальной системой с линейной коррекцией, может быть использована для управления обеими этими системами. Используя сигналы разности одноименной информации, обеспечивают асимптотическую устойчивость (демпфирование) двух систем, имеющих разные частотные свойства, а также оценку их инструментальных погрешностей. В бесплатформенном исполнении инерциалных систем указанные процессы решаются путем моделирования.
Источники информации
1. В.А.Беленький. Патент № 2000544 РФ.
2. А.В.Репников, Г.П.Сачков, А.И.Черноморский. Гироскопические системы.
1. Способ выработки навигационных параметров и вертикали места, включающий измерение составляющих кажущегося ускорения при помощи акселерометров, оси чувствительности которых связаны с гироплатформой, формирование сигналов управления гироплатформой, отработку сформированных сигналов при помощи гироскопа или датчиков абсолютной угловой скорости или включающий измерение составляющих кажущегося ускорения при помощи акселерометров, измерение сигналов гироскопов или датчиков абсолютной угловой скорости, оси чувствительности которых направлены по осям приборного трехгранника, аналитическое решение задачи ориентации путем моделирования работы инерциальной системы, выработку навигационных параметров и вертикали места, отличающийся тем, что управляющие сигналы гироплатформы или модели гироплатформы формируют из условия обеспечения при отсутствии баллистических девиаций периода собственных колебаний гироплатформы или модели гироплатформы, отличного от периода Шулера.
2. Способ выработки навигационных параметров и вертикали места, включающий измерение составляющих кажущегося ускорения при помощи акселерометров, оси чувствительности которых связаны с гироплатформой, формирование сигналов управления гироплатформой, отработку сформированных сигналов при помощи гироскопа или датчиков абсолютной угловой скорости или включающий измерение составляющих кажущегося ускорения при помощи акселерометров, измерение сигналов гироскопов или датчиков абсолютной угловой скорости, оси чувствительности которых направлены по осям приборного трехгранника, аналитическое решение задачи ориентации путем моделирования работы инерциальной системы, выработку навигационных параметров и вертикали места, отличающийся тем, что, используя разности одноименной информации, выработанные инерциальными системами или их моделями с разными периодами собственных колебаний, обеспечивают асимптотическую устойчивость (автономное демпфирование) каждой инерциальной системы или модели инерциальной системы.
3. Способ выработки навигационных параметров и вертикали места, включающий измерение составляющих кажущегося ускорения при помощи акселерометров, оси чувствительности которых связаны с гироплатформой, формирование сигналов управления гироплатформой, отработку сформированных сигналов при помощи гироскопа или датчиков абсолютной угловой скорости или включающий измерение составляющих кажущегося ускорения при помощи акселерометров, измерение сигналов гироскопов или датчиков абсолютной угловой скорости, оси чувствительности которых направлены по осям приборного трехгранника, аналитическое решение задачи ориентации путем моделирования работы инерциальной системы, выработку навигационных параметров и вертикали места, отличающийся тем, что, используя разности одноименной информации, выработанные инерциальными системами или их моделями с разными периодами собственных колебаний (с разными параметрами n), обеспечивают оценку инструментальных погрешностей.
4. Способ выработки навигационных параметров и вертикали места, включающий измерение составляющих кажущегося ускорения при помощи акселерометров, оси чувствительности которых связаны с гироплатформой, формирование сигналов управления гироплатформой, отработку сформированных сигналов при помощи гироскопа или датчиков абсолютной угловой скорости или включающий измерение составляющих кажущегося ускорения при помощи акселерометров, измерение сигналов гироскопов или датчиков абсолютной угловой скорости, оси чувствительности которых направлены по осям приборного трехгранника, аналитическое решение задачи ориентации путем моделирования работы инерциальной системы, выработку навигационных параметров и вертикали места, отличающийся тем, что, увеличивая направляющую силу к компасному меридиану, повышают точность выработки курса объекта и уменьшают время готовности системы.
