Способ гирокомпасирования с применением датчика угловой скорости

Изобретение относится к области точного приборостроения и может быть использовано при создании гирокомпасов аналитического типа. Способ гирокомпасирования с применением датчика угловой скорости заключается в том, что после начальной выставки оси чувствительности датчика угловой скорости в плоскость местного горизонта осуществляют последовательный дискретный поворот оси чувствительности датчика угловой скорости на заданные углы, после чего осуществляют попарное вычитание сигналов, полученных в соседних угловых положениях оси чувствительности датчика угловой скорости, после расчета которых определяют отношения полученных соседних разностей, а также точные отношения соседних точных разностей, из массива которых методом перебора осуществляется выбор (n-2) последовательных значений точных отношений, максимально совпадающих по заданному критерию совпадения с рядом соответствующих (n-2) значений отношений разностей сигналов, полученных в соседних угловых положениях оси чувствительности датчика угловой скорости, которые используют при определении угла относительно плоскости местного меридиана. Технический результат изобретения заключается в повышении точности определения направления местного меридиана.

 

Изобретение относится к области точного приборостроения и может быть использовано при создании гирокомпасов аналитического типа.

Известны способы гирокомпасирования с использованием датчика угловой скорости (ДУС).

В частности, известен способ алгоритмической компенсации погрешности гирокомпасирования с применением гироскопического датчика угловой скорости [RU 2194948, C1, G01C 21/00, 20.12.2002], включающий предварительную привязку измерительных осей гироскопа к осям, связанным с объектом, использование гироскопа в режиме обратной связи по току датчика момента, определение сигналов с эталонных сопротивлений датчика угловой скорости, согласование знаков изменения сигналов с эталонных сопротивлений гироскопа с направлением азимутального поворота его корпуса вокруг оси собственного вращения, определение коэффициентов модели дрейфа гироскопа, а в рабочем режиме нахождение широты местоположения объекта, углов наклона плоскости измерительных осей гироскопа по тангажу и крену, алгоритмическую компенсацию дрейфа гироскопа, аналитическое определение нескорректированного угла К истинного курса объекта, отличающийся тем, что предварительно устанавливают гироскоп в положение, при котором угол истинного курса равен 0°, плоскость измерительных осей гироскопа горизонтальна, измерительные оси Х_г1, У_г2 гироскопа направлены соответственно на восток и север, выполняют аналитическое гирокомпасирование и находят погрешность гирокомпасирования Δψ₀₁ потом устанавливают гироскоп в положение, при котором угол истинного курса равен 270°, горизонтально расположенные измерительные оси X_г1 и У_г2 направлены соответственно на север и запад, проводят гирокомпасирование и находят погрешность гирокомпасирования Δψ₀₂, затем гироскоп устанавливают в положение, в котором угол истинного курса равен 0°, измерительная ось Х_г1 находится в горизонте и направлена на восток, а измерительная ось У_г1 наклонена по тангажу на угол υ₁, проводят гирокомпасирование и находят погрешность гирокомпасирования Δψ_υ1, после этого гироскоп устанавливают в положение, в котором угол истинного курса равен 270°, измерительная ось Х_г1 находится в горизонте и направлена на север, а измерительная ось У_г1 наклонена по тангажу на угол υ₁, проводят гирокомпасирование и находят погрешность гирокомпасирования Δψ_υ2, затем гироскоп устанавливают в положение, в котором угол истинного курса равен 0°, измерительная ось У_г1 находится в горизонте и направлена на север, а измерительная ось X_г1 наклонена по крену на угол γ₁, выполняют гирокомпасирование и находят погрешность гирокомпасирования Δψ_γ1, после этого гироскоп устанавливают в положение, в котором угол истинного курса равен 270°, измерительная ось У_г1 находится в горизонте и направлена на запад, а измерительная ось X_г1 второго канала наклонена по крену на угол γ₁, проводят гирокомпасирование и находят погрешность гирокомпасирования Δψ_γ2, а затем в рабочем режиме определяют алгоритмическую компенсацию погрешности гирокомпасирования в виде соответствующего аналитического выражения.

Недостатком этого технического решения является относительно узкая область применения, обусловленное тем, что, способ может быть реализован при использовании датчиков угловой скорости именно гироскопического типа.

Известен также способ гирокомпасирования с применением гироскопического датчика угловой скорости при неточной выставке гироскопа на объекте [RU 2267748, C1, G01C 21/00 10.01.2006], включающий предварительную установку гироскопа в исходное положение, при котором измерительная ось Y_г1 первого канала гироскопа совпадает с погрешностью установки с продольной осью объекта Х_с, измерительная ось Х_г1 второго канала гироскопа совпадает с погрешностью установки с направленной к правому борту объекта осью Z_c, а ось собственного вращения гироскопа Z_г1 направлена с погрешностью установки по оси объекта Y_c, находящейся в плоскости его симметрии, работу гироскопа в режиме обратной связи по току датчика момента, фазировку сигнала с эталонного сопротивления с направлением поворота корпуса гироскопа вокруг оси собственного вращения, определение коэффициентов модели дрейфа гироскопа, а при гирокомпасировании определение углов наклона объекта по тангажу и крену, угла широты местоположения объекта, поворот корпуса гироскопа вокруг оси собственного вращения относительно исходного положения против часовой стрелки с измерением углов поворота корпуса гироскопа и напряжений с эталонного сопротивления первого канала, в равностоящих по углу друг от друга положениях, угловое расстояние между которыми выбирают таким, чтобы для него угол π/2 радиан являлся кратным, отличающийся тем, что при гирокомпасировании в первом исходном положении определяют углы наклона плоскости измерительных осей гироскопа относительно плоскости объекта, связанной с его продольной осью Х_с и осью Z_c, направленной к правому борту, потом снимают показания с первого канала гироскопа на заданных углах поворота корпуса гироскопа вокруг оси собственного вращения и возвращают гироскоп в исходное положение, после чего разворачивают корпус гироскопа вокруг продольной оси объекта на угол, равный π радиан, во второе положение и снимают показания с первого канала гироскопа на заданных углах поворота гироскопа вокруг оси собственного вращения, а затем находят угол истинного курса объекта по соответствующей аналитической формуле.

Недостатком этого технического решения также является относительно узкая область применения, обусловленное тем, что, способ может быть реализован при использовании датчиков угловой скорости именно гироскопического типа.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному является способ гирокомпасирования с применением датчика угловой скорости (ДУС) [RU 2698567, C1, G01C 21/00, 28.08.2019], заключающийся в том, что после начальной выставки оси чувствительности ДУС в плоскость местного горизонта осуществляется последовательный дискретный поворот оси чувствительности ДУС на заданные углы в направлении плоскости местного меридиана (n-1) раз, в каждом очередном положении оси чувствительности ДУС осуществляется низкочастотная фильтрация выходного сигнала ДУС в течение фиксированного интервала времени, после чего осуществляется попарное вычитание сигналов, полученных в соседних угловых положениях оси чувствительности ДУС, и прекращение поворота определяется или достижением заданного значения величины n, или изменением знака разности сигналов, полученных в соседних угловых положениях оси чувствительности ДУС, при этом до начала процесса гирокомпасирования рассчитываются точные разности значений проекций угловой скорости Земли на ось чувствительности ДУС для всех возможных соседних значений углов ее ориентации относительно плоскости местного меридиана в заданном интервале их изменения, из массива которых методом перебора осуществляется выбор (n-1) последовательных значений точных разностей проекций угловой скорости Земли, максимально совпадающих по заданному критерию совпадения с рядом соответствующих (n-1) значений разностей сигналов, полученных в соседних угловых положениях оси чувствительности ДУС, после чего определяется угол относительно плоскости местного меридиана, соответствующий n-му точному значению проекции угловой скорости Земли на ось чувствительности ДУС, который с высокой точностью является углом азимута n-го положения оси чувствительности ДУС.

Это техническое решение устраняет необходимость использования при реализации способа датчиков угловой скорости именно гироскопического типа, однако обладает относительно узкими функциональными возможностями, обусловливающие относительно низкую точность определения направления местного меридиана.

Задача, решаемая в изобретении, направлена на создание способа, позволяющего определить направление местного меридиана с более высокой точностью без ограничений на использование датчиков угловой скорости только гироскопического типа.

Требуемый технический результат заключается в повышении точности определения направления местного меридиана.

Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что, в способе, основанном на том, что, после начальной выставки оси чувствительности ДУС в плоскость местного горизонта, осуществляют последовательный дискретный поворот оси чувствительности ДУС на заданные углы в направлении плоскости местного меридиана (n-1) раз, в каждом очередном положении оси чувствительности ДУС осуществляют низкочастотную фильтрация выходного сигнала ДУС в течение фиксированного интервала времени, после чего осуществляют попарное вычитание сигналов, полученных в соседних угловых положениях оси чувствительности ДУС, и прекращают последовательный дискретный поворот оси чувствительности ДУС на заданные углы в направлении плоскости местного меридиана или при достижении заданного значения величины n, или при изменении знака разности сигналов, полученных в соседних угловых положениях оси чувствительности ДУС, причем, до начала процесса гирокомпасирования рассчитывают точные разности значений проекций угловой скорости Земли на ось чувствительности ДУС для всех возможных соседних значений углов ее ориентации относительно плоскости местного меридиана в заданном интервале их изменения, после чего определяют угол относительно плоскости местного меридиана, соответствующий n-му точному значению проекции угловой скорости Земли на ось чувствительности ДУС, который является углом азимута n-го положения оси чувствительности ДУС, согласно изобретению, после расчета точных разностей значений проекций угловой скорости Земли на ось чувствительности ДУС для всех возможных соседних значений углов ее ориентации относительно плоскости местного меридиана в заданном интервале их изменения определяют отношения полученных соседних разностей, а также точные отношения соседних точных разностей, из массива которых методом перебора осуществляется выбор (n-2) последовательных значений точных отношений, максимально совпадающих по заданному критерию совпадения с рядом соответствующих (n-2) значений отношений разностей сигналов, полученных в соседних угловых положениях оси чувствительности ДУС, которые используют при определении угла относительно плоскости местного меридиана.

Предложенный способ гирокомпасирования с применением датчика угловой скорости следующим образом.

Выходной сигнал Z большинства современных датчиков угловой скорости (гироскопических, лазерных, волоконно-оптических и др.) в режиме гирокомпасирования может быть представлен в следующем виде:

Z=kω+S+W,

где k=k₀+Δk - реальный масштабный коэффициент измерения;

k₀ - расчетный масштабный коэффициент измерения;

Δk=const - постоянная случайная погрешность определения масштабного коэффициента измерения;

ω=ΩcosϕcosA - проекция угловой скорости Земли на ось чувствительности ДУС, Ω - угловая скорость вращения Земли, ϕ - широта места;

А - азимутальный угол оси чувствительности ДУС;

S=const - постоянная случайная помеха;

W - широкополосная случайная помеха.

Для реализации предложенного способа гирокомпасирования после начальной выставки оси чувствительности ДУС в плоскость местного горизонта осуществляют последовательный дискретный разворот оси чувствительности ДУС на заданный угол Δ относительно плоскости местного меридиана (n-1) раз. В каждом очередном i-ом (i=1,2,…,n) положении оси чувствительности ДУС осуществляется низкочастотная фильтрация выходного сигнала ДУС Z (например, с использованием фильтра Баттерворта высокого порядка) в течение фиксированного интервала времени, зависящего от частоты съема измерений ДУС.

Выходные сигналы ДУС в i-м положении Z_i может быть имеют вид

Z_i=kω_i+S,

где ω_i=ΩcosϕcosA_i, A_i - текущий азимутальный угол оси чувствительности ДУС в i-м положении.

Далее осуществляют попарное вычитание сигналов Z_t, полученных в соседних угловых положениях оси чувствительности ДУС (углы разворота которых относительно меридиана отличаются на Δ):

δ_i=Z_i+1-Z_i=k(ω_i+1-ω_i)=kΩcosϕ(cosA_i+1-cosA_i).

Полагая, для определенности, что поворот оси чувствительности ДУС в плоскость местного меридиана осуществляется в направлении возрастания величины Z_i, прекращение поворота определяется или достижением заданного значения величины n, или изменением знака разности δ_i.

После выполнения операции вычитания сигналов Z_i вычисляют отношения σ_i соседних (смежных) разностей δ_i и δ_i+1:

которые уже не зависят от масштабного коэффициента k и, соответственно, от погрешности его определения.

Эталонный массив точных значений рассчитывается до начала процесса гирокомпасирования для всех возможных значений углов A_n в заданном интервале их изменения с требуемой точностью (максимальные значения границ интервала здесь будут равны - при этом, например, при расчете углов A_n с шагом дискретизации 10 угловых секунд максимальный размер массива вычисленных значений разности косинусов составит всего 32400 значений, что для современных вычислителей трудности не представляет.

После формирования (n-2) значений σ_i на основании проведенных измерений, методом перебора осуществляют выбор ряда (n-2) последовательных значений из эталонного массива точных значений, максимально совпадающих с рядом (n-2) значений σ_i.

Сравнение производят на основе заданных критериев совпадения, например, где α, α₁ - заданные величины; и т.п.

После формирования ряда эталонных (n-2) последовательных точных значений определяют соответствующий значению угол A_n=A_n-1+Δ, который с высокой точностью и будет углом азимута n-го положения оси чувствительности ДУС. Т.к. значения σ_i, полученные на основании проведенных измерений, не зависят, помимо вышеперечисленных помех, от погрешности масштабного коэффициента Δk, то реализация предложенного способа позволит существенно повысить точность процесса гирокомпасирования.

Таким образом, в предложенном способе достигается требуемый технический результат, заключающийся в повышении точности определения направления местного меридиана.

Способ гирокомпасирования с применением датчика угловой скорости, заключающийся в том, что, после начальной выставки оси чувствительности датчика угловой скорости в плоскость местного горизонта осуществляют последовательный дискретный поворот оси чувствительности датчика угловой скорости на заданные углы в направлении плоскости местного меридиана (n-1) раз, причем в каждом очередном положении оси чувствительности датчика угловой скорости осуществляют низкочастотную фильтрацию его выходного сигнала в течение фиксированного интервала времени, после чего осуществляют попарное вычитание сигналов, полученных в соседних угловых положениях оси чувствительности датчика угловой скорости, и прекращают последовательный дискретный поворот оси чувствительности датчика угловой скорости на заданные углы в направлении плоскости местного меридиана или при достижении заданного значения величины n, или при изменении знака разности сигналов, полученных в соседних угловых положениях оси чувствительности датчика угловой скорости, при этом до начала процесса гирокомпасирования рассчитывают точные разности значений проекций угловой скорости Земли на ось чувствительности датчика угловой скорости для всех возможных соседних значений углов ее ориентации относительно плоскости местного меридиана в заданном интервале их изменения, после чего определяют угол относительно плоскости местного меридиана, соответствующий n-му точному значению проекции угловой скорости Земли на ось чувствительности датчика угловой скорости, который является углом азимута n-то положения оси чувствительности датчика угловой скорости, отличающийся тем, что после расчета точных разностей значений проекций угловой скорости Земли на ось чувствительности ДУС для всех возможных соседних значений углов ее ориентации относительно плоскости местного меридиана в заданном интервале их изменения определяют отношения полученных соседних разностей, а также точные отношения соседних точных разностей, из массива которых методом перебора осуществляется выбор (n-2) последовательных значений точных отношений, максимально совпадающих по заданному критерию совпадения с рядом соответствующих (n-2) значений отношений разностей сигналов, полученных в соседних угловых положениях оси чувствительности датчика угловой скорости, которые используют при определении угла относительно плоскости местного меридиана.