Способ измерения проекций горизонтальной составляющей вектора угловой скорости вращения земли для определения азимутального направления (компасирования)

Изобретение относится к области навигации и может быть использовано при создании гироскопических приборов на базе динамически настраиваемого гироскопа (ДНГ) в морской, воздушной, наземной, скважинной навигации. Способ определения азимутального направления (компасирования) основан на том, что в процессе эксплуатации производится автоматическая настройка резонансной частоты ДНГ путем модуляции переменного сигнала ДУ по одной оси сигналом прямоугольной формы частотой f_т и измерением реакции ДНГ от этого сигнала по другой оси. Частоту f_гм питания привода гиромотора последовательными приближениями меняют до тех пор, пока реакция ДНГ на сигнал частотой f_т не станет равной нулю. Это означает, что осуществлена динамическая настройка: f_гм=f_рез, подвес безмоментен, его результирующая жесткость равна нулю. Техническим результатом является повышение точности определения. 1 ил.

 

Изобретение относится к области навигации и может быть использовано при создании азимутального корректора на базе динамически настраиваемого гироскопа (ДНГ) в морской, воздушной, наземной, скважинной навигации.

Известен способ определения азимутального направления на базе динамически настраиваемого гироскопа (ДНГ), работающего в режиме двухосного датчика угловой скорости (ДУС), измеряющего горизонтальную составляющую вектора угловой скорости вращения Земли, с вертикальной ориентацией оси кинетического момента с автокомпенсацией уходов гироскопа поворотами 0-180°. Способ принят за прототип и описан в статье Г.В.Попов, А.А.Наумов, А.И.Сорокин «Исследование возможности построения наземного гирокомпаса на ДНГ по схеме ДУС.» Сборник статей и докладов. IV Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам. ГНЦ РФ ЦНИИ «Электроприбор». Санкт-Петербург, 1997 г., с.200.

Принцип автокомпенсации уходов гироскопа поворотами 0-180° описан в монографии С.М.Зельдович, М.И.Малтинский, И.М.Окон, Я.Г.Остромухов «Автокомпенсация инструментальных погрешностей гиросистем». - Л.: Судостроение, 1976 г.

Принцип построения способа, принятого за прототип, изображен на чертеже.

АВ - модель азимута в координатах осей гироскопа XY. Положение равновесия точки А, В.

AC=BC= Ωcosϕ×К_дм.

Ω - угловая скорость вращения Земли,

ϕ - широта места.

Пусть составляющие дрейфов ДНГ (град/ч): ω_х≠ω_у≠0.

На плоскости XY (·) А при первоначальном положении прибора и (·).

Заметим, что на плоскости XY ω_x и ω_у не изменили своего положения после поворота, т.к. они привязаны к осям, точка С (середина отрезка АВ) характеризует собственные уходы:

Cx=ω_х, Су=ω_у

В то же время ( Ωcosϕ×К_дм) изменило свой знак.

Практически этим приемом определяют К_дм:

К_дм=АВ/2 Ωcosϕ (в/°/час).

Приведем уравнения применительно для вышеописанного приема:

Ω_х(α₁)= Ωcosϕ sin(α-α₁)+ω_x,

Ω_у(α₁)= Ωcosϕ cos(α-α₁)+ω_y,

где:

α - азимут корпуса прибора, рад,

α₁ -угол разворота системы относительно корпуса, рад,

Ω_з - угловая скорость вращения Земли, град/час,

ϕ - широта места,

Ω_x, Ω_у - проекции угловой скорости на оси платформы.

Для исключения постоянных составляющих дрейфов ДНГ проводятся измерения в двух различных азимутальных ориентациях. Это - две противоположные азимутальные ориентации, например

α₁=0°, α₁=180°

Для эффективности описанного способа важна кратковременная нестабильность дрейфов ДНГ за время работы в обеих ориентациях. Конструкция системы и ДНГ должна обеспечивать стабильные дрейфы при разных ориентациях гироскопа относительно корпуса и относительно Земли.

В результате постоянные составляющие дрейфов ДНГ могут быть исключены (с учетом сделанного выше замечания):

Ω_x(0)- Ω_x(180)=2 Ω_зcosϕ sin(α),

Ω_y(0)- Ω_y(180)=2 Ω_зcosϕ cos(α).

Откуда вычисляется:

tg (α).

α - азимутальная ориентация осей гироскопа.

Вектор АВ - графическое моделирование направления меридиана.

Для задач компасирования важна не стабильность ω_x и ω_у, а стабильность угла α. И если даже ω_x и ω_у изменились (точка C₁ характеризует измененные собственные уходы С_1x=ω_1x, С_1y=ω_1y), угол α сохраняется (см. чертеж).

Важно только, чтобы ω_x и ω_у не изменялись в процессе поворота 0-180°, чтобы отсутствовал т.н. "кратковременный тренд". Главный результат - стабильность определения меридиана (угла α) во время одного пуска, от пуска к пуску. Отметим, что имеется способ исключения "кратковременного тренда" из показаний прибора.

Поясним физику процессов при поворотах 0-180° град.

Моменты, связанные с корпусом, поворачиваются, поворачивается датчик моментов (ДМ), поворачивается система координат, т.е. моменты в системе координат не изменяют своего направления. В свободном гироскопе поворот моментов приведет к изменению знака собственного ухода в инерциальном пространстве. В случае ДУС прецессии нет, а момент остался прежний. Относительно системы координат изменил направление вектор вынужденного вращения Ωcosϕ и гироскопический момент, вызванный им, тоже изменил свое направление. Это дает возможность отличить вектор собственных моментов от вектора гироскопических моментов, вызванных вращением Земли. В ДУС мы анализируем не угол ухода, а только моменты.

Данная схема построения гирокомпаса (ГК) имеет следующие преимущества:

- ДНГ работает в ориентации, оптимальной с точки зрения минимизации вредных моментов от дебаланса и квадратурных моментов;

- температурные дрейфы ДНГ в этой ориентации также проявляются в наименьшей степени;

- возможен быстрый разворот ДНГ в новую азимутальную ориентацию вокруг оси собственного кинетического момента гироскопа;

- ДНГ расположен на поворотной платформе строго симметрично относительно оси вращения; наличие двух измерительных осей ДНГ в принципе позволяет вычислять значение азимута по измерениям двухосного ДУС в одной азимутальной ориентации;

- при точечных измерениях в положенииях 0-180° происходит автокомпенсация корпусных моментов ДНГ;

- представляется возможность сокращения времени определения азимута, поскольку динамика наземного ГК не связана с режимом незатухающих колебаний;

- в данной схеме все значимые инструментальные погрешности наблюдаемы при программных ориентациях и вращениях платформы, то есть существует принципиальная возможность определения в каждом запуске основных инструментальных погрешностей, а также возможность реализации эксплуатационного автономного режима калибровки;

- в данной схеме точность зависит от чувствительности гироскопа и от стабильности ω_x и ω_у за время поворота 0-180° (так называемый «кратковременный тренд»).

Прибор имеет привод разворота корпуса ДНГ вокруг оси Н, устройства питания и управления приводом и устройства для фиксации положений 0 и 180°. Программа управления процедурой поворотов, установки, измерений вводится в контроллер. Информация о токах датчиков момента ДНГ в положениях 0°, 180° Х_А, Х_В, У_A, Y_B также вводится в контроллер. По этой информации контроллер вычисляет азимут прибора в соответствии с выражением (1).

Приведенные выше простейшие зависимости и процедуры для исключения постоянных составляющих дрейфов ДНГ получили широкое распространение в силу простоты их реализации чисто аппаратными средствами, например, в контроллерах. Современная вычислительная техника позволяет реализовать способы исключения не только постоянных составляющих дрейфов ДНГ, но и их изменчивости во времени.

Для использования в навигации ДУС на базе ДНГ обладают рядом преимуществ по сравнению с другими гироскопическими чувствительными элементами (ГЧЭ), в том числе по сравнению с доступными и распространенными поплавковыми приборами. Кроме общих положений о технологичности конструкции, отсутствия поддерживающей жидкости, что влечет за собой необходимость в большом количестве функциональных элементов, ДНГ имеет следующие свойства:

- возможность функционирования в широком диапазоне температур;

- малое время готовности прибора;

- малая потребляемая мощность;

- рациональное использование внутреннего объема гироблока благодаря наличию внутреннего карданова подвеса, обеспечивающего меньшие габариты и массу;

- большое расстояние между приводом и ротором, а следовательно, малое влияние тепловыделения в приводе на точность ДНГ;

- высокая чувствительность торсионного подвеса, не имеющего сухого трения.

Для получения требуемых точностей определения азимута необходимы высокоточные ДНГ. В частности, для ДУС погрешность измерения проекций угловой скорости вращения Земли при определении азимута с погрешностью 1 дуг.мин должна лежать в пределах

ω<0,002 °/час,

поскольку погрешность определения компасного курса выражается формулой:

Δα=ω/ Ω_зcosϕ.

Анализ возможных уводящих моментов ДНГ, сравнение их с аналогичными в классических гироскопах (моменты, зависящие от ускорения основания или гравитационных ускорений, моменты, не зависящие от ускорения основания, момент сухого трения в опорах подвеса, момент вязкого трения, моменты вибрационной природы, моменты тяжения токоподводов, моменты магнитной природы, температурные возмущения) свидетельствуют о преимуществах ДНГ [Д.С.Пельпор, В.А.Матвеев, В.Д.Арсеньев. Динамически настраиваемые гироскопы. - М.: «Машиностроение», 1988. Р.А.Абрамов. Ошибки динамически настраиваемых гироскопов. - М.: «Машиностроение», 1988. Л.И.Брозгуль. Динамически настраиваемые гироскопы. М.: «Машиностроение», 1989. Л.З.Новиков, М.Ю.Шаталов. Механика динамически настраиваемых гироскопов. М.: «Наука», 1985].

Проведенный выше анализ возможных уводящих моментов, сравнение их с аналогичными в классических гироскопах свидетельствуют о преимуществах ДНГ.

При всех положительных качествах ДНГ существует один принципиально присущий этому гироскопу источник уводящего момента: упругий восстанавливающий момент при угловых отклонениях маховика от вала. Этот момент, органически присущий ДНГ, полностью устранить или сделать малым невозможно. Угловую жесткость по конструктивным соображениям нельзя сделать очень маленькой. Угловое рассогласование либо в системе стабилизации, либо в системе с обратной связью через ДМ вряд ли можно сделать менее 1 угл. сек.

Расчеты показывают, что это соответствует уходу порядка 1-10 град/час, что недопустимо много. Для успешного использования ДНГ в точных системах необходимо осуществить компенсацию упругого момента. Есть различные системы компенсации, однако наиболее плодотворной оказалась идея динамической компенсации, когда при отклонении маховика упругий момент компенсируется инерционным моментом карданового кольца, создавая «безмоментный» подвес. Инерционный момент оказывается пропорциональным квадрату угловой частоты вращения ротора гироскопа. Это позволяет производить настройку скоростью вращения и поддерживать ее с большой стабильностью [Л.З.Новиков, М.Ю.Шаталов. Механика динамически настраиваемых гироскопов. - М.: «Наука», 1985].

При динамической настройке подвес ДНГ безмоментен, т.е. при отклонении ротора гироскопа на какой-либо угол от нулевого положения не возникает момента. В настоящее время детально разработана теория и конструктивы компенсации упругого момента инерционными моментами подвеса ДНГ.

Однако способ, принятый за прототип, имеет недостаток, приводящий к значительным погрешностям в определении азимута, которые возникают при отклонениях от динамической настройки ДНГ, а практика показала возможность нарушения динамической настройки в процессе эксплуатации по различным причинам.

Поясним суть явления.

При наличии угла рассогласования собственной оси гироскопа и оси подвеса при нарушении динамической настройки возникает момент (М_др), его результирующая крутизна К равна разности «упругой» крутизны и крутизны «инерционной»

К=К_упр-1/2(а+b-с)(2πf_гм)², где

К_упр - «упругая» крутизна, 1/2(а+b-с)(2πf_гм)² - «инерционная» крутизна,

М_др=Кβ.

Если М_др постоянен, то он при поворотах 0-180° компенсируется по аналогии с ω_х(у). Однако К - велико, а угол β непостоянен и зависит от наводки в цепи обратной связи. Все это приводит к значительной нестабильности в определении азимутального направления (ΔА). Несмотря на значительные преимущества схемы ДНГ-ДУС, экспериментально определенная настабильность ΔА в схеме определения азимутального направления ДНГ в режиме ДУС с автокомпенсацией поворотами системы координат 0-180° составила по причине описанного выше механизма нарушения динамической настройки:

в пуске - 10÷20 дуг.мин,

от пуска к пуску - порядка 30 дуг.мин.

Таким образом, способ, принятый за прототип, имеет существенную погрешность в определении азимутального направления при нарушении динамической настройки, происходящей по различным причинам.

Чтобы исключить этот эффект, необходима точная динамическая настройка, которую необходимо проводить каждый раз перед измерением.

Способ заключается в следующем:

- запускают гироскоп,

- переменный сигнал обмотки ДУ по одной оси ДНГ модулируют переменным сигналом прямоугольной формы частотой f_т,

- производят измерение реакции ДНГ на этот сигнал по другой оси,

- частоту питания привода гиромотора f_гм изменяют дискретно методом последовательных приближений до тех пор, пока сигнал частотой f_т по второй оси не станет равным нулю,

- после этого датчик угловой скорости (ДУС) последовательно разворачивают вокруг оси Н в фиксированные угловые положения 0°, 180°,

- измеряют сигналы ДУС по осям X, Y в этих положениях (Х_А, У_А и Х_В, У_В),

- затем подвергают математической обработке полученную информацию по алгоритму

.

Итак, разработан способ измерения проекций горизонтальной составляющей вектора угловой скорости вращения Земли для определения азимутального направления α (компасирования), точность которого не зависит от несоответствия скорости вращения гироскопа скорости динамической настройки.

Способ, использующий перекрестное влияние одной оси на другую, который предполагает подачу на одну (первую) из обмоток ДМ дополнительного переменного сигнала прямоугольной формы частотой f_т и измерение реакции от этого сигнала на второй обмотке ДМ. Величина частоты f_т должна обеспечить окончание переходного процесса цепи ДУ-ДМ, при этом предполагает питание привода гиромотора осуществлять частотой f_гм, причем частота f_гм изменяется дискретно, пока сигнал частотой f_т на второй обмотке ДМ не станет равным нулю.

Осуществление этой процедуры производится посредством контроллера по записанной в нем программе.

Проведенные испытания показали, что в схеме определения азимутального направления ДНГ в режиме ДУС с автокомпенсацией моментов поворотами системы координат 0-180° по вышеприведенной методике настабильность ΔА в определении азимута составила:

от пуска к пуску - не более 1 дуг.мин.

Способ измерения проекций горизонтальной составляющей вектора угловой скорости вращения Земли для определения азимутального направления α (компасирования), заключающийся в том, что датчик угловой скорости (ДУС) последовательно разворачивают вокруг оси Н в фиксированные угловые положения 0°, 180°, измеряют сигналы ДУС по осям X, Y в этих положениях (Х_A, Y_A и Х_B, Y_B), затем полученную информацию подвергают математической обработке по алгоритму

α=arctg(X_A-X_B)/(Y_A-Y_B),

отличающийся тем, что в процессе эксплуатации после запуска динамически настраиваемого гироскопа (ДНГ) перед измерением сигналов ДУС по одной оси ДНГ переменный сигнал обмотки ДУС модулируют переменным сигналом прямоугольной формы частотой f_т, затем производят измерение реакции ДНГ на этот сигнал по другой оси, при этом частоту питания привода гиромотора f_гм изменяют дискретно методом последовательных приближений до тех пор, пока сигнал частотой f_т по второй оси не станет равным нулю.