АНАЛИТИЧЕСКИЙ ГИРОКОМПАС Российский патент 1997 года по МПК G01C21/18 

Изобретение относится к области гироскопических систем и может быть использовано для определения азимута, например, в высокоточных системах различного назначения.

Известна система аналитического гирокомпасирования платформы [1]
Прототипом изобретения является система аналитической выставки платформы [2]
Эта система содержит платформу с расположенными на ней двумя акселерометрами, четырьмя гироблоками, причем выходы первого и второго акселерометров через первый и второй усилители коррекции соединены с входами датчиков момента первого и второго гироблоков. Датчик момента третьего гироблока через третий усилитель коррекции и коммутатор подключен в зависимости от режима работы к выходу второго акселерометра, либо к источнику стабилизированного тока. Выход датчика угла четвертого гироблока через усилитель обратной связи соединен с датчиком момента, также подключен через аналого-цифровой преобразователь и регистр хранения величин токов обратной связи к блоку вычислений. Блок управления, на вход которого подключен выход от системы управления, подключен своими выходами к коммутатору, блоку вычислений, регистру хранения величин токов обратной связи. Первый и второй акселерометры, усилители коррекции и гироблоки образуют два канала горизонтирования платформы. Третий гироблок с третьим усилителем коррекции, коммутатор и источник стабилизированного тока осуществляют управление платформы относительно вертикальной оси.

Недостатки прототипа следующие. Для работы блока вычислений необходимо предварительно знать основные параметры устройства, которые входят в состав коэффициентов системы алгебраических уравнений. В качестве рабочей информации используют ток обратной связи и его производную, для измерения которых надо с большой точностью знать параметры обратной связи. Во время измерений система горизонтирования может возмущаться от внешних факторов и тогда искомые параметры выставки углы негоризонтальности платформы могут существенно изменяться и вносить погрешности в вычислительный алгоритм. И наконец, алгоритм выставки не учитывает дрейф платформы за время измерения.

Техническим результатом использования изобретения является устранение указанных недостатков для повышения точности определения азимута платформы.

Указанный результат достигается тем, что в устройство, содержащее платформу с установленными на ней двумя акселерометрами и четырьмя гироблоками, а также два усилителя коррекции, блок управления, блок вычислений, постоянное запоминающее устройство констант, усилитель, причем выходы первого и второго усилителей коррекции подключены соответственно к входам датчиков момента первого и второго гироблоков, а первый выход блока вычислений подключен к первому выходу блока управления, вход которого подключен к шине сигнала включения устройства, дополнительно введены сумматор, элемент сравнения, цифроаналоговый преобразователь, три переключателя, при этом выходы первого и второго акселерометров через соответственно первый и второй переключатели, управляемые входы которых подключены к второму выходу блока управления, соединены с выходами первого и второго усилителей коррекции, выход датчика угла четвертого гироблока через блок вычислений, сумматор, элемент сравнения, второй вход которого напрямую связан с выходом датчика угла четвертого гироблока, цифроаналоговый преобразователь, усилитель и третий переключатель, управляющий вход которого соединен с третьим выходом блока управления, соединен с входом датчика момента четвертого гироблока, а первый и второй выходы постоянного запоминающего устройства констант соединены соответственно с вторым входом сумматора и третьим входом блока вычислений, второй выход которого подключен к выходной шине устройства.

В аналитическом гирокомпасе согласно изобретению в четвертом гироблоке используется широкодиапазонный кодовый датчик угла гироскопа, позволяющий снимать информацию об углах прецессии в диапазоне 0^o 360^o, что дает возможность выставлять гироскоп в любое положение относительно платформы. Кроме того, в этот гирокомпас введена цепь выставки гироскопа в оптимальное положение относительно платформы (сумматор, элемент сравнения, цифро-аналоговый преобразователь, третий переключатель), что приводит к уменьшению влияния нестабильности параметров устройства на точность определения азимута платформы. Введение первого и второго переключателей, переводящих систему горизонтирования платформы в режим хранения, позволяет устранить влияние линейных ускорений, которые действуют на акселерометры системы горизонтирования, что также приводит к уменьшению ошибок при оценке азимута.

Изобретение поясняется фиг.1. Аналитический гирокомпас содержит платформу 1 с установленными на ней акселерометрами 2 и 3 и гироблоками 4, 5, 6, 7, при этом выходы первого 2 и второго 3 акселерометров через первый 8 и второй 9 переключатели соединены с входами первого 10 и второго 11 усилителей коррекции, выходы которых подключены соответственно к входам датчиков моментов первого 4 и второго 5 гироблоков. На управляющие входы переключателей 8 и 9 подключен второй выход блока управления 12, первый вход которого подключен к первому входу блока вычислений 13, а третий выход подключен к управляющему входу третьего переключателя 14. Вход блока управления подключен к шине управляющего сигнала. Выход датчика угла четвертого гироблока 7 через блок вычислений 13, сумматор 15, элемент сравнения 16, второй вход которого напрямую связан с выходом датчика угла четвертого гироблока, цифро-аналоговый преобразователь 17, усилитель 18 и третий переключатель 14 подключен к входу датчика момента четвертого гироблока. Постоянное запоминающее устройство констант 19 подключено своим первым выходом к второму входу сумматора, а вторым выходом к третьему входу блока вычислений 13, второй выход которого подключен к выходной клемме устройства.

В состав каждого двухстепенного гироблока 4, 5, 6, 7 входят датчик угла и датчик момента, причем в четвертом гироблоке 7 используется широкодиапазонный кодовый датчик угла 20. Блок вычислений 13 представляет собой специализированный вычислитель, который может быть реализован на микропроцессорах. Блок управления 12 может быть реализован, например, сдвиговым регистром с параллельным входом и выходом. Переключатели 8, 9, 14 могут быть реализованы, например, на реле. Сумматор 15, элемент сравнения 16 могут быть выполнены на стандартных элементах. Усилитель 18 служит для усиления тока, подаваемого на обмотки датчика момента четвертого гироблока 7, для чего может быть использован стандартный усилитель. Широкодиапазонный кодовый датчик угла 20 представляет собой прецизионный датчик с разрешающей способностью не менее 0,1 дуг.с и углом поворота ротора относительно статора 360^o. Цифроаналоговый преобразователь 17 осуществляет преобразование цифрового сигнала в аналоговый и должен иметь 32-разрядную сетку. Постоянное запоминающее устройство должно иметь объем памяти не меньше 56 кбайт.

Принцип работы аналитического гирокомпаса заключается в следующем. Текущий азимут платформы определяется путем непрерывной обработки информации об угле прецессии гироскопа четвертого гироблока 7, снимаемого с широкодиапазонного датчика угла 20. Алгоритм определения азимута платформы строится на основе полной динамической модели движения гироскопа:

где I момент инерции гироскопа,
f коэффициент демпфирования,
H кинетический момент,
ω_в, ω_г проекции угловой скорости вращения Земли,
А₀ начальный азимут платформы,
ω_ГБ скорость собственного ухода измерительного гироблока,
δ^*, γ^* статические ошибки системы горизонтирования,
b угол прецессии гироскопа,
a угол поворота платформы относительно Земли,

ω_др скорость дрейфа платформы относительно вертикальной оси.

Особенностью предлагаемого устройства является то, что платформа "свободна в азимуте" относительно Земли по вертикали, поэтому вертикальная составляющая ω_В угловой скорости Земли при неотгоризонтированной платформе на определение азимута не влияет. Так же мало влияние дрейфа платформы ω_др относительно вертикальной оси и инерциального члена в формуле (1).

Текущий азимут определяется в два этапа. Сначала по приближенно известным параметрам измерителя производится предварительная оценка начального азимута по формуле, которую можно получить путем решения уравнений (1):

где: β_o=β(t_o) начальное значение угла прецессии гироскопа,
a, b, F коэффициенты, вычисляемые в соответствии с приближенно известными значениями параметров:

где: I^*, H^*, f^*, ω*ГБ

, ω*др предварительно известные значения параметров.

Существенной особенностью предложенной системы является возможность установки гироскопа в оптимальное положение относительно платформы, позволяющее уменьшить влияние нестабильности параметров измерителя на точность определения азимута:
βopto

= A*o-qopto (4)
где: qopto параметр, предварительно рассчитываемый для заявляемого устройства и характеризующий положение кинематического момента гироскопа четвертого гироблока.

Затем оцениваются отклонения истинных значений основных параметров f, ω_др, ω_ГБ и азимута А₀ от их приближенных значений путем решения системы алгебраических уравнений, полученной из (1):
a_i1ΔA_o+a_i2Δf+a_i3Δω_др+a_i4Δω_ГБ=C_i, i= 1,2,3,4 (5)
где: ΔA_o, Δf, Δω_др, Δω_ГБ отклонения начального азимута, коэффициента демпфирования, дрейфа платформы и гироблока, а_ij коэффициенты системы (5).

По формулам Крамера

где: D, Δ₁, Δ₂ известные определители Крамера:

Окончательно искомый текущий азимут платформы вычисляется следующим образом:

где: Т_изм время измерения:
T_изм=t₇-t₀ (10)
Работа аналитического гирокомпаса заключается в следующем. Перед началом работы система горизонтирования платформы функционирует обычным образом - акселерометры 2, 3 через замкнутые первый и второй переключатели 8, 9 подключены к усилителям 10,1 коррекции, которые выдают сигнал на датчики момента первого и второго гироблоков. Система стабилизации платформы в инерциальном пространстве относительно вертикальной оси работает непрерывно (на фиг. 1 показан только третий гироблок чувствительный элемент системы стабилизации). Измерительная часть аналитического гирокомпаса включена - информация об угле прецессии β(t)) измерительного гироскопа постоянно подается в блок вычислений. Третьим переключателем отключен вход датчика момента четвертого измерительного гироблока 7 от усилителя, т.е. гироскоп находится в произвольном относительно платформы положении.

Момент начала работы аналитического гирокомпаса определяется подачей управляющего сигнала на вход блока управления. По этой команде блок управления формирует команду К(t₀), по которой первый и второй переключатели переводят усилители коррекции в режим хранения, отключая акселерометры. По этой же команде в блоке вычислений запоминается начальное значение угла прецессии гироскопа В блоке вычислений далее постоянно обрабатывается информация о текущем угле β(t) и по команде К(t₁), которая подается в блок вычислений, предварительно определяется азимут в соответствии с алгоритмом (по формулам (2), (3)). По вычисленному значению A*o

и известному значению qopto вычисляется (по формуле (4)) оптимальный угол βopto на который нужно развернуть гироскоп относительно платформы для точного определения азимута. По команде К(t₂) третий переключатель подключает усилитель к входу датчика момента измерительного гироблока 7. После выставки гироскопа на βopto по команде К(t₃) третий переключатель отключает датчик момента от усилителя и начинается этап точного определения азимута платформы. Вычисляются коэффициенты а_ij по формуле (6) для моментов времени t_i (i=3, 4, 5, 6, 7). После набора соответствующей информации блок вычислений 13 по соответствующему алгоритму (по формулам (5) (8)) производит калибровку основных параметров измерителя. По формулам (9) и (10) вычисляется текущий азимут платформы А(t). По команде К(t₇) работа аналитического гирокомпаса заканчивается и на выходную шину выдается информация о текущем азимуте платформы на момент подачи команды К(t₇).

Использование: в высокоточных автономных и корректируемых инерциальных системах наземной навигации, в подвижных средствах геологоразведки и картографирования. Сущность изобретения: на платформе трехосного гиростабилизатора с расположенными на ней двумя акселерометрами, тремя гироблоками и двумя усилителями установлен гироблок с широкодиапазонным кодовым датчиком угла. Перед началом работы платформа горизонтируется и стабилизируется в инерциальном пространстве относительно вертикальной оси. С помощью блока управления и двух переключателей в заданный момент времени система горизонтирования переводится в режим хранения и углы прецессии поступают в блок вычислений, где предварительно грубо определяется азимут платформы с использованием констант блока. По команде с блока управления переключатель подключает к датчику момента гироблока цепь выставки гироскопа, состоящую из сумматора, элемента сравнения, цифроаналогового преобразователя и усилителя, и гироскоп устанавливается в требуемое положение. В блоке вычислений производится калибровка основных параметров системы и уточняется азимут платформы. 1 ил.

Аналитический гирокомпас, содержащий платформу с установленными на ней двумя акселерометрами и четырьмя гироблоками, а также два усилителя коррекции, блок управления, блок вычислений, постоянное запоминающее устройство констант, усилитель, причем выходы первого и второго усилителей коррекции подключены соответственно к входам датчиков моментов первого и второго гироблока, а первый вход блока вычислений подключен к первому выходу блока управления, вход которого подключен к входной шине устройства, отличающийся тем, что в него введены сумматор, элемент сравнения, цифроаналоговый преобразователь, три переключателя, а четвертый гироблок снабжен широкодиапазонным кодовым датчиком угла, при этом выходы первого и второго акселерометров через соответственно первый и второй переключатели, управляемые входы которых подключены к второму выходу блока управления, соединены с входами первого и второго усилителей коррекции, выход датчика угла четвертого гироблока через блок вычислений, сумматор, элемент сравнения, второй вход которого напрямую связан с выходом датчика угла четвертого гироблока, цифроаналоговый преобразователь, усилитель и третий переключатель, управляющий вход которого соединен с третьим выходом блока управления, соединен с входом датчика момента четвертого гироблока, а первый и второй выходы постоянного запоминающего устройства констант соединены соответственно с вторым входом сумматора и третьим входом блока вычислений, второй выход которого подключен к выходной шине гирокомпаса.