Автономный способ определения начальной ориентации приборной системы координат бесплатформенного инерциального блока управляемого объекта относительно базовой системы координат

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано в инерциальных системах управления для определения навигационных параметров управляемых подвижных объектов. Технический результат - повышение точности. Для достижения данного результата по сигналам акселерометров определяют приращения проекций вектора кажущейся скорости на оси приборной системы координат (ПСК). Затем определяют вектора скорости и ускорения, производят измерения датчиками угловой скорости бесплатформенного инерциального блока (БИБ). По значениям измеренных ускорений и угловой скорости вращения Земли определяют угловое положение ПСК относительно базовой (стартовой) системы координат (БСК), широту места испытаний, положение осей карданова подвеса относительно БСК и проекции угловой скорости вращения Земли на оси карданова подвеса. Затем осуществляют калибровку чувствительных элементов БИБ и повторно определяют начальную ориентацию ПСК относительно БСК.

 

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано при создании инерциальных систем управления для определения навигационных параметров управляемых подвижных объектов с помощью бесплатформенной инерциальной навигационной системы (БИНС).

Известен способ определения начальной выставки приборной системы координат бесплатформенного инерциального блока (БИБ) управляемого объекта (УО), установленного на пусковой установке (ПУ), относительно базовой (стартовой) системы координат, материализованной стабилизированной платформой курсовертикали (KB), также установленной на ПУ. Начальная выставка осуществляется комбинированным способом, использующим автономное определение положения приборной системы координат относительно плоскости горизонта стартовой системы координат по сигналам акселерометров БИБ и метод векторного согласования систем координат для определения положения приборной системы координат в азимуте. Для векторного согласования используется информация чувствительных элементов БИБ и информация прибора типа курсовертикаль (прототип: патент №2279635, приоритет от 02.11.2004 г.).

Недостатком этого способа является необходимость использования для определения начальной выставки сложной наземной аппаратуры, в том числе прибора типа курсовертикаль, наземного вычислительного устройства и других наземных средств.

Задачей предлагаемого изобретения является определение начальной выставки приборной системы координат БИБ автономными средствами.

Сущность заявленного изобретения заключается в том, что в автономном способе определения начальной ориентации приборной системы координат (ПСК) бесплатформенного инерциального блока управляемого объекта относительно базовой (стартовой) системы координат (БСК), согласно изобретению, по сигналам акселерометров на интервале времени от t₀ до t_n определяют n приращений каждой из проекций вектора кажущейся скорости на оси ПСК за выбранные заранее интервалы времени от t₀ до t_j (j=1, …, n), методом анализа регрессии определяют оценки каждой проекции вектора кажущейся скорости и оценки проекций кажущегося ускорения, по оценкам проекций кажущегося ускорения прогнозируют на некоторый заранее выбранный момент времени в конце выбранного интервала значение каждой проекции кажущегося ускорения, производят измерения датчиками угловой скорости БИБ одновременно с измерениями акселерометрами, аналогично определению проекций кажущегося ускорения определяют проекции угловой скорости вращения Земли на оси ПСК. По определенным проекциям кажущегося ускорения и проекциям угловой скорости вращения Земли определяют угловое положение ПСК относительно БСК, широту места испытаний, положение осей карданова подвеса (КП) относительно БСК и проекции угловой скорости вращения Земли на оси КП, проводят калибровку чувствительных элементов БИБ, используя КП, в результате которой определяют значения калибруемых параметров, используя метод итерации, повторно определяют начальную ориентацию ПСК относительно БСК, выполняя вышеуказанные действия с учетом новых значений калибруемых параметров.

Предлагаемый способ автономного определения основан на автономном определении положения ПСК относительно БСК по сигналам измерений проекций вектора ускорения силы тяжести акселерометрами БИБ и измерений проекций вектора угловой скорости вращения Земли датчиками угловой скорости (ДУС) БИБ на оси ПСК OX_nY_nZ_n.

В предлагаемом способе используется метод векторного согласования систем координат (см., например, А.Липтон. Выставка инерциальных систем на подвижном основании. М.: Наука, 1971 г., стр.114-122). При этом учитывается, что проекции векторов и в БСК известны по построению этой системы координат, а проекции этих же векторов в ПСК определяются по сигналам акселерометров и ДУСов БИБ.

Для повышения точности предлагается перед началом измерений производить калибровку чувствительных элементов (ЧЭ) (акселерометров и ДУСов) БИБ. Для калибровки ЧЭ БИБ предлагается применить способ калибровки ЧЭ БИНС и устройство для его осуществления, изложенные в заявке на изобретение №2007111096 приоритет от 26.03.2007 г. с расположением ЧЭ БИБ в двухосном КП. Для повышения точности съема информации с ДУСов можно использовать известный способ переключения масштаба с диапазона измерения больших угловых скоростей, составляющих десятки градусов в секунду, на масштаб измерения малых угловых скоростей, не превышающих долей градуса в секунду.

При расположении ЧЭ в двухосном КП, кроме возможности калибровки ЧЭ перед началом работы, можно уменьшить диапазон измерения рабочих угловых скоростей путем разворота приборной площадки (ПП) вокруг осей двухосного КП относительно УО с относительной угловой скоростью вращения ПП вокруг этих осей, которая приблизительно равна по величине и обратна по направлению угловой скорости вращения УО. Для повышения точности автономного определения начальной выставки при обработке информации ЧЭ БИБ можно использовать метод анализа регрессий.

Исследования показывают, что при жестком креплении БИБ на изделии, при наличии акселерометров БИБ с погрешностями масштабного коэффициента 0,03% и смещением нуля акселерометра 0,0003 g, а также ДУСов с погрешностями масштабного коэффициента 0,05% и случайным уходом 0,01 угл. мин/мин можно автономно определять предлагаемым способом угловую ориентацию ПСК в азимуте с погрешностями 3-5 угл. мин и ориентацию относительно плоскости горизонта с погрешностью не более 1,5 угл. мин. Элементная база, т.е. акселерометры и ДУСы, не обладают требуемыми точностными характеристиками в заданных диапазонах изменения измеряемых величин. Одним из способов повышения точности является создание более комфортных условий для работы ЧЭ и возможность их калибровки непосредственно во время предстартовой подготовки. Для этого предлагается размещать БИБ в двухосном КП, который обеспечивает возможность калибровки перед пуском и позволяет уменьшать диапазон рабочих угловых скоростей.

Калибровка акселерометров и датчиков угловой скорости заключается в том, что по сигналам акселерометра, измерительная ось которого ортогональна внутренней оси КП, и сигналам с датчика угла, установленного на внутренней оси КП, в вычислительном устройстве (ВУ) определяют угол отклонения наружной оси КП от плоскости горизонта, для каждого акселерометра в ВУ по конечным формулам рассчитывают углы Ф₁ и Ф₂ поворотов ПП вокруг наружной и внутренней осей из исходного положения в положения калибровки, в которых измерительные оси калибруемого акселерометра располагаются вдоль положительного, затем вдоль отрицательного направления ускорения силы тяжести, ПП по сигналам, формируемым в ВУ, с помощью двигателей вращения разворачивают относительно исходного положения на углы Ф₁ и Ф₂ в положения калибровки акселерометров, удерживают калибруемые акселерометры в положениях калибровки в течение заданных в ВУ интервалов времени, в течение которых выполняют измерения калибруемым акселерометром, в ВУ рассчитывают значение масштабного коэффициента и смещение нуля каждого калибруемого акселерометра, для калибровки ДУСов ПП выставляют в исходное положение, выполняют измерения углового положения осей КП относительно плоскости горизонта и их азимут, на основе которых рассчитывают в ВУ проекции угловой скорости вращения Земли на оси КП, двигателем вращения, установленным на внутренней оси КП, по сигналам с ВУ совмещают измерительные оси Х_д и Y_д соответствующих ДУСов с направлением наружной оси КП, при указанных совмещениях с помощью двигателя вращения, установленного на наружной оси КП, поворачивают ПП с заданными угловыми скоростями вокруг наружной оси подвеса на заданные положительный, а затем отрицательный угол, при этом за время поворотов ПП выполняют измерения датчиком угла, установленным на наружной оси КП, и калибруемым ДУСом, определяют проекции вектора поворота в результате вращения Земли на измерительную ось калибруемого ДУСа, в ВУ, с учетом вращения Земли, рассчитывают значения масштабных коэффициентов и смещение нуля для первого и второго ДУСов, аналогичным способом осуществляют калибровку третьего ДУСа, при этом с помощью двигателя вращения, установленного на внутренней оси КП, ПП поворачивают вокруг внутренней оси КП, за время поворотов ПП выполняют измерения третьим ДУСом и датчиком угла, установленным на внутренней оси КП, в ВУ, с учетом вращения Земли, рассчитывают значение масштабного коэффициента и смещение нуля третьего ДУСа, используя метод итерации, повторно определяют начальную ориентацию ПСК относительно БСК.

Устройство для автономного определения начальной выставки БИБ установленного в корпусе управляемого объекта содержит ПП с тремя акселерометрами и тремя ДУСами, вычислительное устройство, входами связанное с соответствующими выходами акселерометров и ДУСов, а выходами связанное с соответствующими входами потребителей навигационных параметров, двухосный КП, на каждой оси которого установлены соответствующие датчик угла и двигатель вращения, при этом ПП установлена в КП, ДУСы и акселерометры установлены на ПП таким образом, что их измерительные оси (ИО) образуют соответствующие правые прямоугольные системы координат XдYдZд и X_aY_aZ_a, ИО Y_a и Yд ортогональны внутренней оси КП, ИО Z_a образует угол 45° с внутренней осью КП и лежит с ней в плоскости ПП, а ИО Zд параллельна внутренней оси КП, ВУ выполнено с возможностью управления двигателями вращения и контроля углового положения ПП посредством датчиков угла, расчета масштабного коэффициента и смещения нуля калибруемого чувствительного элемента и учета величин калибруемых параметров в алгоритмах для определения начальной ориентации ПСК, выходы датчиков угла соединены с соответствующими дополнительными входами ВУ, два дополнительных выхода которого через усилители соединены с соответствующими входами двигателей вращения, а третий дополнительный выход соединен с входом потребителя параметров калибровки и автономного определения начальной выставки и определения навигационных параметров.

Таким образом, предлагается автономный способ определения начальной ориентации приборной системы координат БИБ управляемого объекта относительно БСК, использующий метод векторного согласования систем координат. Отличительная особенность способа состоит в том, что в неподвижном относительно Земли положении БИБ по сигналам акселерометров (от действия ускорения силы тяжести) на интервале времени от t₀ до t_n определяют n приращений каждой из проекций вектора кажущейся скорости на оси ПСК за выбранные заранее интервалы времени от t₀ до t_j (j=1, …, n), методом анализа регрессии определяют оценки каждой проекции вектора кажущейся скорости и оценки проекций кажущегося ускорения, по оценкам проекций кажущегося ускорения прогнозируют на некоторый заранее выбранный момент времени в конце выбранного интервала значение каждой проекции кажущегося ускорения. По сигналам датчиков угловой скорости БИБ на том же интервале времени от t₀ до t_n определяют n приращений каждой из проекций вектора поворота Земли на оси ПСК за выбранные заранее интервалы времени от t₀ до t_j (j=1, …, n), методом анализа регрессии определяют оценки каждой проекции вектора поворота Земли и оценки каждой проекции угловой скорости вращения Земли на оси ПСК и прогнозируют значения проекций угловой скорости Земли на заданный момент времени, по спрогнозированным проекциям кажущегося ускорения и проекциям угловой скорости вращения Земли определяют угловое положение ПСК относительно БСК и широту места испытаний, положение осей КП, в котором установлен БИБ, относительно БСК и проекции угловой скорости вращения Земли на оси КП, проводят калибровку акселерометров и датчиков угловой скорости БИБ, используя КП, в результате которой определяют значения калибруемых параметров, используя метод итерации, повторно определяют начальную ориентацию ПСК относительно БСК, выполняя вышеуказанные измерения и определения проекций кажущегося ускорения и проекций угловой скорости вращения Земли с учетом новых значений калибруемых параметров.

Следует отметить, что перед началом измерений выставляют БИБ в оптимальное положение, при котором достигается наиболее высокая точность измерений.

Техническим результатом предлагаемого автономного способа определения начальной выставки приборной системы координат БИБ относительно БСК и устройства для его осуществления является возможность автономного определения начальной выставки БИБ без использования сложной наземной аппаратуры, в том числе прибора типа курсовертикаль, наземного ВУ и других наземных средств.

Автономный способ определения начальной ориентации приборной системы координат (ПСК) бесплатформенного инерциального блока (БИБ) управляемого объекта относительно базовой системы координат (БСК), использующий метод векторного согласования систем координат, отличающийся тем, что в неподвижном относительно Земли положении БИБ по сигналам акселерометров на интервале времени от t₀ до t_n определяют n приращений каждой из проекций вектора кажущейся скорости от действия ускорения силы тяжести на оси ПСК за выбранные заранее интервалы времени от t₀ до t_j (j=1, …, n), определяют оценки каждой проекции вектора кажущейся скорости и оценки проекций кажущегося ускорения, по оценкам проекций кажущегося ускорения прогнозируют на некоторый заранее выбранный момент времени в конце выбранного интервала значение каждой проекции кажущегося ускорения, по сигналам датчиков угловой скорости БИБ на том же интервале времени от t₀ до t_n определяют n приращений каждой из проекций вектора поворота Земли на оси ПСК за выбранные заранее интервалы времени от t₀ до t_j (j=1, …, n), определяют оценки каждой проекции вектора поворота и оценки каждой проекции угловой скорости вращения Земли на оси ПСК и прогнозируют значения проекций угловой скорости Земли на заданный момент времени, по спрогнозированным проекциям кажущегося ускорения и проекциям угловой скорости вращения Земли определяют угловое положение ПСК относительно БСК и широту места испытаний, положение осей карданова подвеса, в котором установлен БИБ, относительно БСК и проекции угловой скорости вращения Земли на оси карданова подвеса проводят калибровку акселерометров и датчиков угловой скорости БИБ, используя карданов подвес, в результате которой определяют значения калибруемых параметров, используя метод итерации, повторно определяют начальную ориентацию ПСК относительно БСК, выполняя вышеуказанные измерения и определения проекций кажущегося ускорения и проекций угловой скорости вращения Земли с учетом новых значений калибруемых параметров.