КОМПЛЕКСНАЯ ИНЕРЦИАЛЬНАЯ СИСТЕМА Российский патент 1997 года по МПК B64C13/18 G01C21/00 

Изобретение относится к приборостроению, в частности к инерциальным системам навигации и ориентации летательных аппаратов (ЛА).

Известны инерциальные системы, описания и структурные схемы которые приведены в книгах Кирста М.А. Навигационная кибернетика полета. М. Воениздат 1971 г. стр. 50; Помыкаева И.И. и др. Навигационные приборы и системы. М. Машиностроение, 1983 г. стр. 311; Кузовкова Н.Т. Салычева О.С. Инерциальная навигация и оптимальная фильтрация. М. Машиностроение, 1982 г. стр. 56; Бабича О. А. Обработка информации в навигационных комплексах. М. Машиностроение, 1991 г. стр. 376. В этих системах по данным блока датчиков угловых скоростей БДУС 1 (трехкомпонентный датчик угловых скоростей ЛА) и блока датчиков линейных ускорений БДЛУ1 (трехкомпонентный датчик линейных ускорений), устанавливаемый вблизи центра масс ЛА, в блоке формирования параметров навигации и ориентации БФПНО (навигационный вычислитель) формируются составляющие путевой скорости, координаты местоположения и углы ориентации ЛА.

Кроме БДЛУ1, БДУС1 в различных точках на борту ЛА устанавливаются блоки датчиков БДУС2,БДУСn, БДЛУ2,БДЛУm обеспечивающие информацией смежные системы-потребители (см. например, книгу Гуськова Ю.П. Загайнова Г.Н. Управление полетом самолетов. М. Машиностроение, 1980г. стр 96.)
В качестве прототипа выбирается известная система, содержащая первый, n-ый блоки датчиков угловых скоростей БДУС1,БДУС2,БДУСn, первый, m-й датчики линейных ускорений БДЛУ1,БДЛУ2,БДЛУm (здесь n,m количество БДУС, БДЛУ соответственно) и блок формирования параметров навигации и ориентации БФПНО (см. фиг. 1). БДЛУ1, БДУС1 установлены вблизи центра масс ЛА. В БДУС1 формируются составляющие угловой скорости ЛА ω₁ = ω_1j (j 1, 2, 3) (индекс j в дальнейшем не используется), которые с выхода БДУС1 поступают на первый вход БФПНО и выдаются в смежные системы-потребители.

Составляющие линейного ускорения W₁ W_1j (j 1, 2, 3) с выхода БДЛУ1 поступают на второй вход БФПНО и выдаются в смежные системы - потребители. В БФПНО по параметрам ω₁, W₁ с учетом известных начальных условий по зависимостям, приведенным в [4] на стр. 374-385, формируются параметры навигации и ориентации составляющие путевой скорости ЛА V V_j (j 1, 2, 3), координаты местоположения ЛА Φ = Φ_j (j 1, 2, 3) и углы ориентации (курс, крен, тангаж) ЛА α = α_j (j 1, 2, 3).

Параметры V, Φ, α, характеризующие движение центра масс ЛА, с первого, второго и третьего выхода БФПНО выдаются потребителям в систему индикации экипажу, в систему управления и стабилизации ЛА и в другие смежные системы.

В БДУС2,БДУСn, БДЛУ2,БДЛУm формируют соответственно параметры w₂ = ω_2j (j 1, 2, 3),ω_n = ω_nj (j 1, 2, 3), W₂ W_2j (j 1, 2, 3), W_m W_mj (j 1, 2, 3), характеризующие движение в точках установки датчиков, которые выдаются в системы потребители этих параметров - систему управления и стабилизации ЛА, в систему прицеливания, системы заданной ориентации бортовых локационных и прицельных средств и в другие смежные системы.

При отказах БДУС1 или БДЛУ1 система становится неработоспособной в части формирования параметров навигации и ориентации в БФПНО, что является ее недостатком.

Технико-экономическим эффектом предлагаемого технического решения является повышение надежности и точности.

Технико-экономический эффект достигается, тем, что в инерциальную систему, содержащую первый,n-ый блоки датчиков угловых скоростей, первый,m-ый блоки датчиков угловых ускорений и блок формирования параметров навигации и ориентации, дополнительно введены первый,n-ый фильтры угловых скоростей, первый,m-ый фильтры линейных ускорений, первый и второй блоки обработки информации, причем на первый, n-ый входы первого блока обработки информации подключены соответственно выходы первого,n-го фильтров угловых скоростей, на первые входы которых подключены соответственно первые выходы первого,n-го блоков датчиков угловых скоростей, вторые выходы которых подключены соответственно к (n+1)-му,2n му входам первого блока обработки информации, выход которого подключен к первому входу блока формирования параметров навигации и ориентации и ко вторым входам первого,n-го фильтров угловых скоростей; на первый,m-ый входы второго блока обработки информации подключены соответственно выходы первого,m-го фильтров линейных ускорений, на первые входы которых подключены соответственно первые выходы первого,m-го блоков датчиков линейных ускорений, вторые выходы которых подключены соответственно к (m+1)-му,2m -му входам второго блока обработки информации, выход которого подключен ко вторым входам блока формирования параметров навигации и ориентации, первого,m-го фильтров линейных ускорений.

На фиг.1 представлена блок-схема прототипа, обозначения блоков на которой приведены выше; на фиг.2 блок-схема предлагаемой системы, содержащей: 1
первый блок датчиков угловых скоростей БДУС1, 2 n-ый блок датчиков угловых скоростей БДУСn, 3 блок формирования параметров навигации и ориентации БФПНО, 4 первый блок датчиков линейных ускорений БДЛУ1, 5 m-ый блок датчиков линейных ускорений БДЛУm, 6 первый фильтр угловых скоростей ФУС1, 7 n-ый фильтр угловых скоростей ФУСn, 8 первый фильтр линейных ускорений ФЛУ1, 9 m-ый фильтр линейных ускорений ФЛУm, 10 первый блок обработки информации БОИ1, 11 второй блок обработки информации БОИ2, на фиг.3 блок - схема БОИ1 (10), содержащая: 12 задатчик постоянных параметров БУ1, 14 - второй блок умножения БУ2, 15 блок разности БР, 16 первый сумматор С1, 17 второй сумматор С2, 18 блок деления БД.

Система работает следующим образом.

БДУС1,БДУС (2) измеряют составляющие угловой скорости в местах установки

где
ω точное значение составляющих угловой скорости в центре масс,
w_к1, ..., ω_кп угловые скорости от изгибно-крутильных колебаний ЛА, для формирования параметров навигации и ориентации ω_к1, ..., ω_кп являются погрешностями, а для систем-потребителей это полезная информация;
систематическое (медленноменяющиеся) погрешности со среднеквадратическими значениями ;
флюктуационные погрешности со средне-квадратическими значениями .

При этом

где
A_1e, A_ne амплитуда колебаний,
ω_1e, ω_пe частота колебаний,
e количество тонов колебаний,
t время.

Известен пример технического исполнения БДУС. БДЛУ1,БДЛУm (5) измеряют составляющие линейных ускорений в местах установки

где
W точное значение составляющих ускорений в центре масс,
W_k1, W_km ускорение от изгибно-крутильных колебаний ЛА, для формирования параметров навигации и ориентации W_k1, W_km являются погрешностями, а для систем потребителей это полезная информация;
систематические (медленноменяющиеся) погрешности со среднеквадратическими значениями
высокочастотные флюктуационные погрешности со среднеквадратическими значениями .

При этом
,

где
B_1e, B_me амплитуда колебаний;
ω_1e, ω_me частота колебаний,
e количество тонов колебаний.

Погрешности от статического изгиба ЛА, которые могут быть скомпенсированы алгоритмически при априорно известных углах статического изгиба в местах установки датчиков в зависимости от загрузки, не учитываются.

Пример технического выполнения БДУС приведен в книге Боднера В.А. Приборы первичной информации. М. Машиностроение, 1991г. стр. 335.

С первого выхода БДУС1 (1) сигнал ω₁ выдается потребителям и поступает на первый вход ФУС1 (6), на второй вход которого поступает сигнал с выхода БОИ1 (10). С первого выхода БДУСn (2) сигнал w_n выдается потребителям и поступает на первые вход ФУСn (7), на второй вход которого поступает сигнал с выхода БОИ1 (10).

С первого выхода БДЛУ (4) сигнал W₁ выдается потребителям и поступает на первый вход ФЛУ (8), на второй вход которого поступает сигнал с выхода БОИ2 (11). С первого выхода БДЛУ m (5) сигнал W_m выдается потребителям и поступает на первый вход ФЛУ m (9), на второй вход которого поступает сигнал с выхода БОИ2 (11).

В ФУС1 (6), ФУСn (7) формируются соответственно сигналы

(здесь r₁, R₁, r_n, R_n полиномы передаточных функций), поступающие соответственно на первый, n-ый входы БОИ1 (10), на (n + 1),2n й входы которого поступают соответственно со вторых выходов БДУС1 (1),БДУСn (2) сигналы U₁, U_n, свидетельствующие о исправном состоянии датчиков при U₁= 1 исправность, U₁= 0 отказ, U_n= 1 исправность, U_n= 0 отказ.

В ФЛУ1 (8),ФЛУm(9) формируются соответственно сигналы (здесь q₁, Q₁, Q_m, q_m полиномы передаточных функций), поступающие соотвественно на первый,m-ый входы БОИ2 (11), на (m + 1)-ый,2m-ый входы которого со вторых входов БДЛУ1 (4), БДЛУ m (5) соответственно поступают сигналы U₁,U_m, свидетельствующие о исправности состояния датчиков при U₁= 1 исправность, U₁= 0 отказ, U_m=1 исправность, U_m= 0 отказ.

В БОИ1 (10), первый, n-ый входы подключены соответственно к первому,n-му входам БР15; с первого,n-го выхода ЗПП12 сигналы постоянных величин a₁,a_n поступают на первый,n-ый входы БУ1 (13), на (n + 1)- ый, 2n- ый входы которого по (n + 1)-му, 2n му входам БОИ1 (10) и поступают соответственно сигналы a₁U₁,a_nU_n, которые с первого,n го выходов БУ1 (13) поступают на первый,n ый входы C2 (17), где формируется суммарный сигнал Σ₁ =a₁U₁+ ... +a_nU_n который с выхода С2 (17) поступает на второй вход БД18, с которого сигнал поступает на (n + 1)- ый вход БР15, БР (15) реализован на "n" элементах разности, на которых соответственно формируются сигналы ( x₁), ( x_n) которое с первого,n-го выходов БР15 поступают соответственно на (n + 1)-ый,2n-ый входы БУ2(14). БУ2(14) реализован на "n" элементах умножения, на которых формируются соответственно сигналы ( x₁)•a₁И₁,( - x_n)•a_nИ_n, которые с первого,n-го выходов БУ2 (14) поступают на первый,n-ый входы С1 (16), где формируется суммарный сигнал поступающий на первый вход БД18, где формируется сигнал

(здесь ), при этом λ₁+ ... +λ_n=1 тогда

соответственно при S-11

= (λ₁r₁R₂ ... R_n+λ_nr_nR₁ ... R_n-1)
,
Примеры технического выполнения элементов БР, С, БУ, БД, ЗПП приведены в книге Тетельбаума И.М. Шнейдера Ю.Р. 400 схем для АВМ. М. Энергия, 1978г. на стр. 10, стр. 53, стр. 93 соответственно.

При передаточных функциях ФУС (6), ФУСn (7)


(здесь p оператор дифференцирования, T,τ постоянные времени, x - постоянный коэффициент демпфирования), выбирается S₁ полином, обеспечивающий устойчивость и качество регулирования,
будет

т.е. подавляется погрешность от "l" тонов изгибно-крутильных колебаний.

ФУС1 (6), ФУСn (7) реализует на "l" последовательно соединенных элементах второго порядка.

Погрешность от систематических (медленноменяющихся) составляющих

после окончания переходного процесса будет погрешность

а так как величины являются случайными независимыми, то среднеквадратическая погрешность

Постоянные величины a₁,a_n,формируемые в ЗПП12, выбираются обратнопропорциональными дисперсиями погрешностей
тогда при исправности всех датчиков U₁=U₂=U_n=1

Если индексы погрешностей датчиков выбраны по приоритету, а именно первый наиболее точный то очевидно, что т.е. погрешность оптимально осредненного параметра всегда меньше погрешности наиболее точного датчика. Например, при (датчики равноточные) (Здесь n количество датчиков).

При отказе одного из датчиков, например при отказе БДУСn (2) U_n 0, тогда

соответственно при равноточных датчиках будет что, например, при n 5 составляет т.е. точность повышается в 2 раза.

При отказе наиболее точного датчика БДУС1 (1) U₁ 0

откуда следует, что при равноточных датчиках
соответственно, например, при т. е. погрешность комплексного параметра меньше погрешности наиболее точного отказавшего датчика. Таким образом повышаются показатели надежности и обеспечивается повышение точностных характеристик.

Погрешность от высокочастотных флюктуационных составляющих
(здесь при b₁,b_n постоянные величины,

Высокочастотные флюктуационные погрешности в основном определяются вибрационными характеристиками в местах установки датчиков, конструктивные требования которых к вибрационным характеристикам в местах установки одинаковы, тогда
а так как C₁<1,C_n<1, C₁+C₂+. +C_n<1, то

т. е. составляющая погрешности комплексного параметра от высокочастотных погрешностей меньше погрешностей датчиков.

С выхода БОИ1 (10) сигнал выдается потребителям и поступает на один вход БФПНОЗ.

БОИ2 (11) по исполнению аналогичен БОИ1 (10) с заменой индекса "n" на "m". На выходе БОИ2 (11) формируется сигнал

где
S-12

= λ₁q₁Q₂ ... Q_m+ ... λ_mq_mQ₁ ... Q_m-1
При передаточных функциях ФЛУ (8),ФЛУm (9)


(здесь β, g постоянные времени, d коэффициент демпфирования), откуда следует, что при наличии S-12 обеспечивающем устойчивость и качество регулирования,

т.е. подавляются погрешности от "e" тонов изгибно-крутильных колебаний.

ФЛУ1 (8), ФЛУm (9) реализуются на "m" последовательно-соединенных элементах второго порядка.

Погрешность от систематических составляющих

будет меньше погрешности наиболее точного датчика.

Погрешность от высокочастотных флуктуационных составляющих определяемых вибрационными характеристиками в местах установки датчиков, при

(здесь D₁<1,D_m<1, D₁+D_m=1, ) меньше погрешностей датчиков.

При отказах датчиков БОИ2 (11) работает аналогично БОИ1 (10).

С выхода БОИ2 (11) сигнал выдается потребителям и поступает на второй вход БФПНОЗ, в котором по поступившим сигналам и при известных начальных условиях формируются параметры навигации и ориентации ЛА:
составляющие путевой скорости ,
координаты местоположения ,
углы ориентации (курс, крен, тангаж) , которые с первого, второго и третьего выхода БФПНОЗ выдаются потребителям.

Формируемые в БФПНОЗ параметры V, φ, α являются функциями
т.е. в общем виде П П () (здесь П параметр), тогда погрешность

где
суммарные погрешности,
частные производные.

Так как погрешности меньше, чем в системе прототипе, то погрешности ΔП также будут меньше.

Таким образом введение новых связей и дополнительных блоков обеспечивают повышение надежности и точности формирования параметров навигации и ориентации в комплексной инерциальной системе, что свидетельствует о достижении технико-экономического эффекта.

Использование: системы навигации и ориентации летательных аппаратов. Сущность: комплексная инерциальная система содержит n блоков датчиков угловых скоростей, блок формирования параметров навигации и ориентации, m блоков датчиков линейных ускорений, n фильтров угловых скоростей, m фильтров линейных ускорений, два блока обработки информации. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Комплексная инерциальная система, содержащая первый n-ый блоки датчиков угловых скоростей, блок формирования параметров навигации и ориентации, первый m-й блоки датчиков линейных ускорений, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введены первый n-й фильтры угловых скоростей, первый m-й фильтры линейных ускорений, первый и второй блоки обработки информации, причем на первый n-й входы первого блока обработки информации подключены соответственно выходы первого n-го фильтров угловых скоростей, на первые входы которых подключены соответственно первые входы первого n-го блоков датчиков угловых скоростей, вторые выходы которых подключены соответственно к (n + 1)-му 2n-му входам первого блока обработки информации, выход которого подключен к первому входу блока формирования параметров навигации и ориентации и к вторым входам первого n-го фильтров угловых скоростей, на первый m-й входы второго блока обработки информации подключены соответственно выходы первого m-го фильтров линейных ускорений, на первые входы которых подключены соответственно первые выходы первого m-го блоков датчиков линейных ускорений, вторые выходы которых подключены соответственно к (m + 1)-му - 2m-му входам второго блока обработки информации, выход которого подключен к вторым входам блока формирования параметров навигации и ориентации, первого - m-го фильтров линейных ускорений. 2. Система по п.1, отличающаяся тем, что первый блок обработки информации выполнен на двух блоках умножения, двух сумматорах, блоке разности, блоке деления, задатчике постоянных параметров, первый n-й выходы которого подключены соответственно к первому n-му входам первого блока умножения, первый n-й выходы которого подключены соответственно к первому n-му входам второго блока умножения, на (n + 1)-й, 2n-й входы подключены соответстввенно первый n-й выходы блока разности, на первый n-й входы которого подключены соответственно первый n-й входы первого блока обработки информации, (n + 1) 2n-й входы которого подключены соответственно к (n + 1)-му 2n-му входам первого блока умножения, первый n-й выходы второго блока умножения подключены соответственно к одноименным входам первого блока суммирования, выход которого подключен к первому входу блока деления, на второй вход которого подключен выход второго сумматора, на первый n-й входы которого подключены одноименные выходы первого блока умножения, причем выход блока деления подключен к (m + 1)-му входу блока разности и к выходу первого блока обработки информации.