ИНЕРЦИАЛЬНАЯ КУРСОВЕРТИКАЛЬ Российский патент 1997 года по МПК G01C21/18 

Изобретение относится к области гироскопического приборостроения и может быть использовано в системах навигации летательных аппаратов.

Известна инерциальная курсовертикаль, содержащая платформу в рабочем подвесе с первой и второй осями подвеса, с установленными на платформе первым и вторым акселерометрами, гироскопическим датчиком угловой скорости, трехстепенным гироскопом, включающим первый и второй датчики угла и первый и второй датчики момента, с установленными на осях подвеса третьим и четвертым датчиками момента, а также включающая первый, второй, третий преобразователи аналог код, первый, второй преобразователи код аналог, первый, второй, третий интеграторы, первый, второй, третий, четвертый усилители, задатчик угловой скорости Земли, задатчик широты места, вычислитель синуса, вычислитель косинуса, определитель начального курса, первый, второй сумматоры, первый, второй переключатели сигналов [1]
Недостатком известной инерциальной курсовертикали (ИКВ) является значительная трудоемкость ее изготовления.

Технический результат уменьшение трудоемкости изделия.

В предлагаемой ИК указанный результат достигается за счет введения в инерциальную курсовертикаль второго, третьего, четвертого, пятого, шестого вычислителей синуса, второго, третьего, четвертого, пятого, шестого вычислителей косинуса, первого, второго инверторов, третьего, четвертого, пятого, шестого, седьмого, восьмого сумматоров, причем ось чувствительности первого акселерометра параллельна первой оси подвеса, ось чувствительности первого датчика угла оси чувствительности второго датчика момента и перпендикулярна оси чувствительности гироскопического датчика угловой скорости, оси чувствительности второго акселерометра, причем ось чувствительности второго акселерометра параллельна второй оси подвеса, оси чувствительности второго датчика угла, оси чувствительности первого датчика момента и перпендикулярна оси чувствительности гироскопического датчика угловой скорости, причем на осях подвеса формируются углы вертикали, причем выход первого датчика угла через первый усилитель связан с третьим датчиком момента, выход второго датчика угла через второй усилитель связан с четвертым датчиком момента, выход первого акселерометра через первый преобразователь аналог код связан с первыми входами второго вычислителя косинуса и второго вычислителя синуса, выход второго акселерометра через второй преобразователь аналог-код связан с первыми входами третьего вычислителя синуса и третьего вычислителя косинуса, выход второго вычислителя косинуса через первый вход третьего сумматора связан с первым интегратором и третьим усилителем.

Выход второго вычислителя синуса через первый вход четвертого сумматора связан с вторым интегратором и четвертым усилителем, выход третьего вычислителя синуса через первый инвертор связан с вторым входом третьего сумматора.

Выход третьего вычислителя косинуса связан с вторым входом четвертого сумматора, выход первого интегратора связан с нормально замкнутым выводом первого переключателя, выход третьего усилителя связан с нормально разомкнутым выводом первого переключателя.

Выход второго интегратора связан с нормально замкнутым выводом второго переключателя, выход четвертого усилителя связан с нормально разомкнутым выводом второго переключателя, якорный вывод первого переключателя через первый вход пятого сумматора связан с первыми входами четвертого вычислителя синуса и четвертого вычислителя косинуса, якорный вывод второго переключателя через первый вход шестого сумматора связан с первыми входами пятого вычислителя синуса и пятого вычислителя косинуса, выход четвертого вычислителя косинуса через первый вход седьмого сумматора, первый преобразователь код - аналог связан с первым датчиком момента, выход четвертого вычислителя синуса через второй инвертор, первый вход восьмого сумматора, второй преобразователь, код аналог связан с вторым датчиком момента, выход пятого вычислителя синуса связан с вторым входом седьмого сумматора. Выход пятого вычислителя косинуса связан с вторым входом восьмого сумматора. Выход датчика угловой скорости через третий преобразователь аналог код, первый вход первого сумматора связан с третьим интегратором. Выход третьего интегратором связан с первым входом второго сумматора и вторыми входами второго, третьего, четвертого, пятого вычислителей косинуса, вторыми входами второго, третьего, четвертого, пятого вычислителей синуса. Задатчик угловой скорости Земли связан с первыми входами вычислителя синуса и первого вычислителя косинуса, задатчик широты места связан с вторыми входами первого вычислителя синуса и первого вычислителя косинуса, выход первого вычислителя синуса связан с вторым инвертирующим входом первого сумматора.

Выход первого вычислителя косинуса связан с первыми входами шестого вычислителя синуса и шестого вычислителя косинуса. Определитель начального курса связан с вторым входом второго сумматора и вторыми входами шестого вычислителя синуса и шестого вычислителя косинуса.

Выход шестого вычислителя синуса связан с вторым инвертирующим входом шестого сумматора, выход шестого вычислителя косинуса связан с вторым инвертирующим входом пятого сумматора, на управляющий вход первого, второго переключателей поступает сигнал "Выставка".

На третий инвертирующий вход седьмого сумматора поступает сигнал дрейфа гироскопа относительно первой оси Ω_др1, на третий инвертирующий вход восьмого сумматора поступает сигнал дрейфа гироскопа относительно второй оси Ω_др2, на третий инвертирующий вход первого сумматора поступает сигнал дрейфа датчика угловой скорости Ω_др.дус, причем на выходе второго сумматора формируется угол курса.

На чертеже представлена структурная схема предлагаемой инерциальной курсовертиками (ИКВ). Предлагаемая ИКВ содержит платформу 1 в рамочном подвесе с первой 2 и второй 3 осями подвеса, с установленными на платформе первым 4 и вторым 5 акселерометрами, гироскопическим датчиком угловой скорости 6, трехстепенным гироскопом 7, включающим первый 8 и второй 9 датчики угла и первый 10 и второй 11 датчики момента с установленными на осях подвеса третьим 12 и четвертым 13 датчиками момента, а также включающая первый 14, второй 15, третий 16 преобразователи аналог код, первый 17, второй 18 преобразователи код аналог, первый 19, второй 20, третий 21 интеграторы, первый 22, второй 23, третий 24, четвертый 25 усилители, задатчик угловой скорости Земли 26, задатчик широты места 27, первый 28, второй 39, третий 40, четвертый 41, пятый 42, шестой 51 вычислители синуса, первый 29, второй 35, третий 36, четвертый 37, пятый 38, шестой 52 вычислители косинуса, определитель начального курса 30, первый 31, второй 32, третий 45, четвертый 46, пятый 47, шестой 48, седьмой 49, восьмой 50 сумматоры, первый 33, второй 34 переключатели сигналов, первый 43, второй 44 инвертора, причем линия чувствительности первого 4 акселерометра параллельна второй 3 оси подвеса, линия чувствительности первого 8 датчика угла, линия чувствительности второго 11 датчика момента перпендикулярна линии чувствительности гироскопического датчика угловой скорости 6, линии чувствительности второго 5 акселерометра, причем линия чувствительности второго 5 акселерометра параллельна первой 2 оси подвеса, линии чувствительности второго 9 датчика угла, линии чувствительности первого 10 датчика момента и перпендикулярна линии чувствительности гироскопического датчика угловой скорости 6, причем на осях 2,3 подвеса формируются углы вертикали, причем выход первого 8 датчика угла через первый 22 усилитель связан с третьим 12 датчиком момента, выход второго 9 датчика угла через второй 23 усилитель связан с четвертым 13 датчиком момента, выход первого 4 акселерометра через первый 14 преобразователь аналог код связан с первыми входами второго 35 вычислителя косинуса и второго 39 вычислителя синуса. Выход второго 5 акселерометра через второй 15 преобразователь аналог код связан с первыми входами третьего 36 вычислителя косинуса и третьего 40 вычислителя синуса, выход второго 35 вычислителя косинуса через первый вход третьего 45 сумматора связан с первым 19 интегратором и третьим 24 усилителем. Выход второго 39 вычислителя синуса через первый вход четвертого 46 сумматора связан с вторым 20 интегратором и четвертым 25 усилителем, выход третьего 40 вычислителя синуса через первый 43 инвертор связан с вторым входом третьего 45 сумматора, выход третьего 36 вычислителя косинуса связан с вторым входом четвертого 46 сумматора, выход первого 19 интегратора связан с нормально замкнутым выводом первого 33 переключателя.

Выход третьего 24 усилителя связан с нормально замкнутым выводом первого 33 переключателя, выход второго 20 интегратора связан с нормально замкнутым выводом второго 34 переключателя, выход четвертого 25 усилителя связан с нормально разомкнутым выводом второго 34 переключателя, якорный вывод первого 33 переключателя через первый вход пятого 47 сумматора связан с первыми входами четвертого 37 вычислителя косинуса и четвертого 41 вычислителя синуса. Якорный вывод второго 34 переключателя через первый вход шестого 48 сумматора связан с первыми входами пятого 42 вычислителя синуса и пятого 38 вычислителя косинуса, выход четвертого 37 вычислителя косинуса через первый вход седьмого 49 сумматора, первый 17 преобразователь код аналог связан с первым 10 датчиком момента, выход четвертого 41 вычислителя синуса через второй 44 инвертор, первый вход восьмого 50 сумматора, второй 18 преобразователь код аналог связан с вторым 11 датчиком момента, выход пятого 42 вычислителя синуса связан с вторым входом седьмого 49 сумматора. Выход пятого 38 вычислителя косинуса связан с вторым входом восьмого 50 сумматора, выход датчика угловой скорости 6 через третий 16 преобразователь аналог код, первый вход первого 31 сумматора связан с третьим 21 интегратором, выход третьего 21 интегратора связан с первым входом второго 32 сумматора и вторыми входами второго 35, третьего 36, четвертого 37, пятого 38 вычислителей косинуса, вторыми входами второго 39, третьего 40, четвертого 41, пятого 42 вычислителей синуса, задатчик угловой скорости Земли 26 связан с первыми входами первого 28 вычислителя синуса и первого 29 вычислителя косинуса.

Задатчик широты места 27 связан с вторыми входами первого 28 вычислителя синуса и первого 29 вычислителя косинуса, выход первого 28 вычислителя синуса связан с вторым инвертирующим входом первого 31 сумматора, выход первого 29 вычислителя косинуса связан с первыми входами шестого 51 вычислителя синуса и шестого 52 вычислителя косинуса, определитель начального курса 30 связан с вторым входом второго 32 сумматора и вторыми входами шестого 51 вычислителя синуса и шестого 52 вычислителя косинуса, выход шестого 51 вычислителя синуса связан с вторым инвертирующим входом шестого 48 сумматора, выход шестого 52 вычислителя косинуса связан с вторым инвертирующим входом пятого 47 сумматора.

На управляющий вход первого 33, второго 34 переключателей поступает сигнал "Выставка", на третий инвертирующий вход седьмого 49 сумматора поступает сигнал дрейфа гироскопа относительно первой 2 оси Ω_др1, на третий инвертирующий вход восьмого 50 сумматора поступает сигнал дрейфа гироскопа относительно второй 3 оси Ω_др2, на третий инвертирующий вход первого 31 сумматора поступает сигнал дрейфа датчика угловой скорости 6 Ω_др.дус, причем на выходе второго 32 сумматора формируется угол курса.

Работает инерциальная курсовертикаль (ИКВ) следующим образом.

После включения питания и разгона гиромоторов по сигналу "Выставка" осуществляется выставка платформы 1 в плоскость горизонта.

При этом выполняются следующие операции. У первого 19, второго 20, третьего 21 интеграторов обнуляются выходы и поддерживаются в обнуленном состоянии в течение всей выставки.

На выходе третьего 21 интегратора формируется гироскопический курс ψ_г, равный нулю ψ_г 0.

Второй 35, третий 36, четвертый 37, пятый 38 вычислители косинуса имеют коэффициент передачи, равный единице,
cosψ_г= cos0^°= 1
Второй 39, третий 40, четвертый 41, пятый 42 вычислители синуса имеют коэффициент передачи, равный нулю, sinψ_г= sin0^°= 0..

Выставка платформы 1 в плоскость горизонта осуществляется по первой 2 и второй 3 оси. По сигналу первого 4 акселерометра через первый 14 преобразователь аналог код, второй 35 вычислитель косинуса, первый вход третьего 45 сумматора, третий 24 усилитель, первый 33 переключаетль сигналов, первый вход пятого 47 сумматора, четвертый 37 вычислитель косинуса, первый 17 преобразователь код аналог на первом 10 датчике момента формируется момент, который вызывает прецессионное движение гироскопа 7, которое (движение) в свою очередь фиксируется первым 8 датчиком угла.

По сигналу первого 8 датчика угла через первый 22 усилитель на выходе третьего 12 датчика момента формируется момент, который вызывает движение (платформа 1) вокруг первой 2 оси, которое (движение) направлено в сторону обнуления (уменьшения) сигнала первого 8 датчика угла и первого 4 акселерометра.

По сигналу второго 5 акселерометра через второй 15 преобразователь аналог код, третий 36 вычислитель косинуса, второй вход четвертого 46 сумматора, четвертый 25 усилитель, второй 34 переключатель сигналов, первый вход шестого 48 сумматора, пятый 38 вычислитель конуса, второй вход восьмого 50 сумматора, второй 18 преобразователь код аналог на втором 11 датчике момента формируется момент, который вызывает прецессионное движение гироскопа 7, которое (движение) в свою очередь фиксируется вторым 9 датчиком угла. По сигналу второго 9 датчика угла через второй 23 усилитель на выходе четвертого 13 датчика момента формируется момент, который вызывает движение платформы 1 вокруг второй 3 оси, которое (движение) направлено в сторону обнуления (уменьшения) сигнала второго 9 датчика угла и второго 5 акселерометра. Движение платформы 1 прекращается, когда сигналы на выходе первого 4 и второго 5 акселерометров станут минимальными.

Одновременно с выставкой платформы 1 осуществляется компенсация вертикальной и горизонтальной составляющих угловой скорости Земли и дрейфов трехстепенного гироскопа и датчика угловой скорости (ДУС).

По сигналам задатчика угловой скорости Земли 26, задатчика широты места 27 на выходе первого 28 вычислителя синуса формируется значение вертикальной составляющей скорости Земли, т.е.

ω_z= Ω_з•sinΦ
где ω_z значение вертикальной составляющей скорости Земли (значение угловой скорости Земли вокруг оси чувствительсти ДУС);
Ω_з значение угловой скорости Земли;
Φ значение широты места.

По сигналам задатчика угловой скорости Земли 26, задатчика широты места 27, первого 29 вычислителя косинуса, определителя начального курса 30 на выходах шестого 52 вычислителя косинуса и шестого 51 вычислителя синуса формируются значения горизонтальных составляющих угловой скорости Земли относительно первой 2 и второй 3 осей, т.е.

где ω_x,ω_y значения угловой скорости Земли по первой 2 и второй осям;
ψ_o значение начального курса ИКВ,
На вторые инвертирующие входы пятого 47, шестого 48, первого 31 сумматоров поступают значения угловой скорости Земли, соответственно ω_x,ω_y,ω_z осуществляющие компенсацию угловой скорости Земли.

На третьем инвертирующие входы седьмого 49, восьмого 50, первого 31 сумматоров поступают значения дрейфов, соответственно Ω_др1,Ω_др2,Ω_дрДУС, компенсирующие дрейфы трехстепенного гироскопа 7 по первой 2 и второй 3 осям и дрейф ДУС.

Работает ИКВ в режиме интегральной коррекции и определения угла курса следующим образом.

Первое: определение угла курса.

Датчик угловой скорости 6, повторяя угловые движения платформы (вместе с объектом, на котором она установлена), измеряет внешнюю угловую скорость платформы 1 вокруг оси Z плюс собственная ошибка в виде дрейфа ДУС.

Таким образом, измеренная величина угловой скорости будет равна:
ω_изм= ω_внешн+Ω_з•sinΦ+Ω_дрДУС (1)
где ω_внешн значение угловой скорости платформы (объекта).

Сигнал ДУС через третий 16 преобразователь аналог код суммируется на первом 31 сумматоре с компенсационными сигналами угловой скорости Земли и дрейфа ДУС, интегрируется на третьем 21 интеграторе, на выходе которого формируется значение гироскопического курса ψ_г, суммируется на втором 32 сумматоре со значением начального курса ψ_o, на выходе которого (второго 32 сумматора) формируется значение курса ИКВ, т.е. ψ_o.

Математически определение угла курса выразится выражением:

Упрощая выражение 2 получим выражение 3

Таким образом, на выходе второго 32 сумматора формируется угол курса.

Второе: работает ИКВ как инерциальная вертикаль следующим образом. По сигналам первого 4 и второго 5 акселерометров через первый 14 и второй 15 преобразователи аналог код, прямой преобразователь координат, включающий второй 35, третий 36 вычислители косинуса, второй 39, третий 40 вычислители синуса, первый инвертор 43, третий 45, четвертый 46 сумматоры, осуществляет пересчет сигналов в соответствии с гироскопическим углом курса ψ_г, первый 19, второй 20 интеграторы интегрируют сигналы, на выходе которых формируются скорости; пятый 47, шестой 48 сумматоры описывают (исключают) значения угловой скорости Земли, соответствующие широте Φ и азимуту v₀; обратный преобразователь координат, включающий четвертый 37, пятый 38 вычислители косинуса, четвертый 41, пятый 42 вычислители синуса, второй 44 инвертор, седьмой 49, восьмой 50 сумматоры, осуществляет пересчет сигналов в соответствии с гироскопическим углом курса ψ_г; седьмой 49, восьмой 50 сумматоры списывают (исключают) значения дрейфов трехстепенного гироскопа 7 и через первый 17, второй 18 преобразователи код аналог первый 10, второй 11 датчики момента формируют моменты, по которым вектор кинетического момента Н трехстепенного гироскопа 7 устанавливается (прецессирует в сторону совмещения с перпендикуляром к плоскости горизонта) перпендикулярно плоскости горизонта; система стабилизации, включающая первый 8, второй 9 датчики угла, первый 22, второй 23 усилители, третий 12, четвертый 13 датчики момента, повторяет прецессионное движение гироскопа 7 и устанавливает платформу 1 в плоскость горизонта.

Информация об углах вертикали формируется на осях 2, 3 подвеса платформы 1.

Таким образом ИКВ выполняет задачи навигации, определение углов вертикали и азимута объекта.

Использование: в области гироскопического приборостроения в инерциальных курсовертикалях. Сущность изобретения: инерциальная курсовертикаль содержит платформу в рамочном подвесе с двумя осями в горизонтальной плоскости, с системой стабилизации по вертикальному гироскопу, с системой интегральной коррекции платформы. Система интегральной коррекции включает последовательно соединенные два акселерометра, прямой преобразователь координат (включающий два вычислителя косинуса, два вычислителя синуса, инвертор, два сумматора), два интегратора, обратный преобразователь координат (включающий два вычислителя косинуса, два вычислителя синуса, инвертор, два сумматора), трехстепенный гироскоп, два контура индикаторной стабилизации платформы по датчикам угла гироскопа, платформу, на которой установлены два акселерометра, трехстепенный гироскоп, и гироскопический датчик угловой скорости. 1 ил.

Инерциальная курсовертикаль, включающая платформу в рамочном подвесе с первой и второй осями подвеса, с установленными на платформе первым и вторым акселерометрами, гироскопическим датчиком угловой скорости, трехстепенным гироскопом, включающим первый и второй датчики угла и первый и второй датчики момента, с установленными на осях подвеса третьим и четвертым датчиками момента, а также включающая первый, второй, третий преобразователи аналог - код, первый, второй преобразователи код аналог, первый, второй, третий интеграторы, первый, второй, третий, четвертый усилители, задатчик широты места, задатчик угловой скорости Земли, первый вычислитель синуса, первый вычислитель косинуса, определитель начального курса, первый, второй сумматоры, первый, второй переключатели сигналов, отличающаяся тем, что введены второй, третий, четвертый, пятый, шестой вычислители синуса, второй, третий, четвертый, пятый, шестой вычислители косинуса, первый, второй инверторы, третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой, восьмой сумматоры, причем ось чувствительности первого акселерометра параллельна первой оси подвеса, оси чувствительности первого датчика угла, оси чувствительности второго датчика момента и перпендикулярна оси чувствительности гироскопического датчика угловой скорости, оси чувствительности второго акселерометра, причем ось чувствительности второго акселерометра параллельна второй оси подвеса, оси чувствительности второго датчика угла, оси чувствительности первого датчика момента и перпендикулярна оси чувствительности гироскопического датчика угловой скорости, причем выход первого датчика угла через первый усилитель связан с третьим датчиком момента, выход второго датчика угла через второй усилитель связан с четвертым датчиком момента, выход первого акселерометра через первый преобразователь аналог код связан с первыми входами второго вычислителя косинуса и второго вычислителя синуса, выход второго акселерометра через второй преобразователь аналог код связан с первыми входами третьего вычислителя синуса и третьего вычислителя косинуса, выход второго вычислителя косинуса через первый вход третьего сумматора связан с первым интегратором и третьим усилителем, выход второго вычислителя синуса через первый вход четвертого сумматора связан с вторым интегратором и четвертым усилителем, выход третьего вычислителя синуса через первый инвертор связан с вторым входом третьего сумматора, выход третьего вычислителя косинуса связан с вторым входом четвертого сумматора, выход первого интегратора связан с нормально замкнутым выводом первого переключателя, выход третьего усилителя связан с нормально разомкнутым выводом первого переключателя, выход второго интегратора связан с нормально замкнутым выводом второго переключателя, выход четвертого усилителя связан с нормально разомкнутым выводом второго переключателя, якорный вывод первого переключателя через первый вход пятого сумматора связан с первыми входами четвертого вычислителя синуса и четвертого вычислителя косинуса, якорный вывод второго переключателя через первый вход шестого сумматора связан с первыми входами пятого вычислителя синуса и пятого вычислителя косинуса, выход четвертого вычислителя косинуса через первый вход седьмого сумматора, первый преобразователь код аналог связан с первым датчиком момента, выход четвертого вычислителя синуса через второй инвертор, первый вход восьмого сумматора, второй преобразователь код аналог связан с вторым датчиком момента, выход пятого вычислителя синуса связан с вторым входом седьмого сумматора, выход пятого вычислителя косинуса связан с вторым входом восьмого сумматора, выход гироскопического датчика угловой скорости через третий преобразователь аналог код, первый вход первого сумматора связан с третьим интегратором, выход третьего интегратора связан с первым входом второго сумматора и вторыми входами второго, третьего, четвертого, пятого вычислителей косинуса, вторыми входами второго, третьего, четвертого, пятого вычислителей синуса, задатчик угловой скорости Земли связан с первыми входами первого вычислителя синуса и первого вычислителя косинуса, задатчик широты места связан с вторыми входами первого вычислителя синуса и первого вычислителя косинуса, выход первого вычислителя синуса связан с вторым инвертирующим входом первого сумматора, выход первого вычислителя косинуса связан с первыми входами шестого вычислителя синуса и шестого вычислителя косинуса, определить начального курса связан с вторым входом второго сумматора и вторыми входами шестого вычислителя синуса и шестого вычислителя косинуса, выход шестого вычислителя синуса связан с вторым инвертирующим входом шестого сумматора, выход шестого вычислителя косинуса связан со вторым инвертирующим входом пятого сумматора, управляющие входы первого и второго переключателей являются входами сигнала "Выставка", третий инвертирующий вход седьмого сумматора является входом сигнала дрейфа гироскопа относительно первой оси, третий инвертирующий вход восьмого сумматора является входом сигнала дрейфа гироскопа относительно второй оси, а третий инвертирующий вход первого сумматора является входом сигнала дрейфа гироскопического датчика угловой скорости.