СПОСОБ ВЫПОЛНЕНИЯ ДЕВИАЦИОННЫХ РАБОТ НА ПОДВИЖНЫХ ОБЪЕКТАХ Российский патент 1998 года по МПК G01C17/38 

Изобретение касается магнитного курсоуказания и навигации, может быть использовано для повышения точности курсовых систем подвижных объектов, например летательных аппаратов (ЛА).

Известен способ выполнения девиационных работ, включающий измерение датчиком магнитного курса на подвижном объекте проекций магнитного поля на горизонтальные оси, связанные с объектом, и вычисление коэффициентов девиации [1].

Недостатком известного способа является неполное и неточное определение коэффициентов девиации.

Известен способ выполнения девиационных работ, заключающийся в компенсации магнитных девиаций эталонным магнитным полем, формируемым на объекте с помощью магнитомягких и магнитотвердых материалов. Требование точного выполнения условий компенсации сводится к выполнению равенства нулю всех коэффициентов девиации [2].

Однако в этом способе при компенсации не учитываются зависимости коэффициентов девиации от изменяющихся условий ориентации и местоположения объекта.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ компенсации девиации курсоуказателя подвижного объекта, основанный на предстартовом нахождении коэффициентов Пуассона и компонентов постоянного магнитного поля подвижного объекта по результатам обработки показаний бортового трехкомпонентного бескарданового магнитометра в различных пространственных положениях объекта и использовании полученных зависимостей для определения магнитного курса в процессе движения объекта [3].

Недостатком известного способа является большая трудоемкость выполнения предстартовых девиационных работ, вызванная последовательной фиксацией объекта на множестве различных магнитных курсов при различных углах крена и тангажа. Кроме того, эти работы должны проводиться на специально подготовленных девиационных площадках. Однако в связи со значительными сложностями по оборудованию этих площадок по стране имеется весьма ограниченное их количество.

Для проведения регламентных девиационных работ (периодичность 1...2 раза в год) ЛА требуется перегонять с аэродрома базирования на эту площадку, зачастую до нескольких тысяч километров, что влечет за собой чрезмерные расходы горючего, ресурса ЛА, затраты летного времени и проч. Вследствие этого регламентные сроки проведения девиационных работ на практике нарушаются в ущерб безопасности полетов.

Задачей изобретения является разработка такого способа проведения регламентных предстартовых девиационных работ, который позволил бы их проводить на любых аэродромах базирования, при отсутствии специальных устройств для поворотов и фиксации объекта по углам тангажа и крена.

Предложен способ выполнения девиационных работ, предусматривающий многоточечные предстартовые магнитометрические измерения продольной, нормальной и поперечной составляющих вектора напряженности, результирующего магнитного поля объекта в его курсовом положении и измерение углов гироскопического курса, тангажа и крена на площадке с известными горизонтальной и вертикальной составляющими геомагнитного поля, нахождение значения угла магнитного курса в процессе движения объекта.

Для проведения измерений магнитного поля у объекта в одном курсовом положении с помощью съемной немагнитной рейки с угломерной шкалой, на которой в одной плоскости и на одной прямой расположены не менее шести бескардановых трехкомпонентных магнитометров, оси чувствительности которых взаимно параллельны и расстояния между которыми известны, устанавливаемой на объекте в одной плоскости и на одной прямой на фиксируемом расстоянии с бескардановым трехкомпонентным магнитометром объекта, дополнительно измеряют значения продольной, нормальной и поперечной составляющей результирующей магнитного поля объекта, углы гироскопического курса, тангажа и крена объекта, указанные значения преобразуют в параметры эквивалентного источника магнитных помех объекта, на котором находят значения девиационной поправки к компасному курсу.

Техническим результатом изобретения является то, что для проведения девиационных работ не требуется специальная площадка, "чистая" в магнитном отношении и оборудованная сложными и громоздкими устройствами для придания аппарату соответствующих углов по курсу, крену и тангажу. Перед проведением девиационных работ следует определить горизонтальную и вертикальную составляющие геомагнитного поля для данного аэродрома, что также легко выполнимо путем замеров общеизвестными магнитометрическими датчиками [2].

На фиг. 1 приведена структурная схема устройства для осуществления предлагаемого способа; на фиг. 2-5 - примерные измерения для реализации изобретения.

Устройство для осуществления предлагаемого способа содержит трехкомпонентный бескардановый магнитометр 1, жестко установленный на ЛА; блок шести съемных трехкомпонентных магнитометров 2, устанавливаемых при выполнении девиационных работ на ЛА на немагнитной рейке с угломерной шкалой в плоскости и ориентируемых по осям чувствительности магнитометра 2 на известном расстоянии. Блоки 1 и 2 предназначены для измерения продольной T_x1, поперечной T_x3 и нормальной T_x2 составляющих вектора напряженности геомагнитного поля на оси связанной системы координат OX₁X₂X₃. Устройство содержит также датчик 3 курса для определения гироскопического курса ψ_г подвижного объекта, гировертикаль 4 для определения углов крена γ и тангажа ν подвижного объекта, первый вычислитель 5 для определения на Земле в процессе предстартовой подготовки параметров источника эквивалентных магнитных помех на ЛА (величины M₂ и углов χ₂,χ₃ ); второй вычислитель 6 для определения величин коэффициентов a1xk

...a3xk, определяющих величину поправки в показаниях бортового магнитометра 1 от эквивалентного источника магнитных помех на борту ЛА; третий вычислитель 7 для определения в процессе движения ЛА угла магнитного курса ψ ЛА. Выходы блоков 1 - 4 соединены с входом первого вычислителя 5, на вход которого подаются с помощью потенциометра ручной выставки или контроллера наземные значения горизонтальной (северной) T_ξ и вертикальной T_η компонент вектора напряженности геомагнитного поля и расстояния r_i от центра помехи M₂ до точек размещения бортового магнитометра 1 по оси ЛА и каждого из шести магнитометров блока 2, устанавливаемых на съемной немагнитной рейке. Выход первого вычислителя 5 соединен с входом второго вычислителя 6, выход которого соединен с входом третьего вычислителя 7, который соединен с входом блока 3, на вход которого с потенциометра ручной выставки или контроллера вводится расстояние от точки расположения эквивалентной магнитной помехи ЛА до точки установки бортового магнитометра 1, с выхода третьего вычислителя 7 в процессе движения ЛА снимаются значения угла магнитного курса ψ.
Соотношения для определения параметров эквивалентного источника магнитных помех объекта основываются на следующих теоретических положениях.

Поскольку на ЛА по авиационным требованиям магниточувствительные датчики устанавливаются на наибольшем удалении от магнитных масс с таким расчетом, чтобы в точке установки датчика собственное магнитное поле ЛА составляло величину не более 200γ(1γ=10^-5э) ; а градиент его не более 20γ/м [4] ; а также считая, что электромагнитные помехи и вихревая составляющая в точке установки пренебрежимо малы, то в первом приближении условно приводят все источники магнитных помех на ЛА, действующие на датчик, к одному источнику магнитных помех, обладающему магнитным моментом M₂, создающим магнитное поле объекта (МПО). Причем вектор M₂ повернут в общем случае относительно связанных осей объекта OX₁X₂X₃ на углы χ₂ и χ₃ ; где OX₁ - продольная; OX₂ - нормальная; OX₃ - поперечная оси ЛА; (фиг.2), где приведена схема поворотов правого ортогонального трехгранника OU₁₂U₂₂U₃₂, связанного с источником магнитных помех, относительно трехгранника OX₁X₂X₃).

В связи с тем, что превалирующую роль в создании магнитной девиации датчика играет постоянное магнитное поле объекта, создаваемое магнитотвердым железом ЛА, а индуктивная составляющая МПО, создаваемая магнитомягким железом ЛА, мала из-за небольшого количества подобных материалов в конструкции ЛА [4,10], то в первом приближении учитывают только геомагнитное поле и постоянное МПО как доминирующие на ЛА. Геомагнитное поле задают в системе координат OX₁X₂X₃, обозначают компоненты напряженности поля через A(0)X1

,A(0)X2,A(0)X3 . Вводят географический правый сопровождающий трехгранник Oξηζ , ось Oξ которого направлена на магнитный Север, ось Oη по вертикали вверх, задают углы магнитного курса (угол ψ считают положительным при повороте объекта по часовой стрелке), тангажа и крена ψ,ν,γ по обычной схеме, в результате (s - sin, c - cos)

где
T_ξ,T_η - северная и вертикальная составляющие вектора напряженности геомагнитного поля.

Эквивалентный источник помех на борту ЛА в виде МПО задают через магнитный момент M₂. Пользуясь методикой [5], т.е. проецируя магнитный момент M₂ на оси OX₁X₂X₃, причем полагая, что т. O является центром помехи M₂, и учитывая, что напряженность поля меняется в обратной пропорции кубу расстояния от некоторой точки объекта до точки О с равными коэффициентами влияния по нормальной и поперечной осям [2,6], получают

где
P, Q, R - составляющие постоянного МПО по осям OX₁, OX₂, OX₃ ЛА соответственно.

Истинное магнитное поле в системе координат OX₁X₂X₃ теперь определяется законом, аналогичным приведенному, например, в [7, c.7]

где
k - номер оси системы координат OX₁X₂X₃.

Аппроксимируют T_kk в виде рядов [3]

где
T_kk и x - величины, известные по результатам многоточечных магнитометрических измерений на борту ЛА с помощью бескардановых трехкомпонентных магнитометров;
a(1)Xk

...a(3)Xk - коэффициенты, которые подлежат определению с помощью, например, метода наименьших квадратов [8]:

где
m = n + 1;
n - число магнитометров;
- квадратичная погрешность аппроксимации.

Взяв частные производные по a(0)Xk

...a(3)Xk/ от этого выражения, получают систему n + 1 уравнений с n + 1 неизвестными. Вводят дополнительные обозначения:

Теперь систему уравнений можно записать в виде:

где
S₀ = n + 1.

Известно, что если среди точек x₀ ... x_m нет совпадающих, что обеспечивается установкой магнитометров и n ≤ m, то определитель системы (7) отличается от нуля и, следовательно, эта система имеет единственное решение. Полином (4) с такими коэффициентами будет обладать минимальным квадратичным отклонением [8].

Предположим, что для проведения девиационных работ на ЛА, на котором установлен трехкомпонентный бескардановый магнитометр, оси чувствительности которого параллельны связанным осям ЛА и точка установки имеет известные координаты, определенные, например, по конструкционным чертежам центроплана и крыла ЛА или по схеме плазовой увязки, в наземных условиях в плоскости и по оси бортового магнитометра на фиксированном расстоянии устанавливают съемную немагнитную рейку с расположенными на ней в одной плоскости и на одной оси шестью бескардановыми магнитометрами, на фиксированном расстоянии один от другого, оси чувствительности которых взаимно параллельны (фиг. 3). Расстояние от точки нахождения бортового трехкомпонентного бескарданового магнитометра до точки нахождения эквивалентного источника магнитных помех x определяют следующим образом. На конце съемной немагнитной рейки с расположенными на ней шестью бескардановыми трехкомпонентными магнитометрами устанавливают поворотную угломерную шкалу, имеющую вертикальную ось вращения, начало отсчета которой параллельно боковой грани немагнитной съемной рейки (фиг.4). При этом выход каждого из шести бескардановых трехкомпонентных магнитометров соединен с входом регистрирующего блока, например вольтметра. Предварительно устанавливают съемную немагнитную рейку в точку установки бортового трехкомпонентного магнитометра по оси крыла ЛА - АВ и, поворачивая ее вокруг вертикальной оси, добиваются максимального выходного сигнала по продольной составляющей каждого из шести магнитометров
При этом визуально снимают по угломерной шкале величину угла α₁ разворота съемной рейки. Устанавливая второй раз на известном расстоянии l₂ = 0,3 . .. 0,5 (м) также, например, на оси крыла ЛА - АВ от точки установки бескарданового трехкомпонентного магнитометра ЛА съемную немагнитную рейку с расположенными на ней шестью трехкомпонентными бескардановыми магнитометрами и, также разворачивая ее вокруг вертикальной оси, добиваются максимального выходного сигнала по продольной составляющей каждого из шести магнитометров
При этом визуально снимают по угломерной шкале также величину второго угла разворота съемной рейки α₂ (фиг. 5), где CC' - продольная ось ЛА; ∠d - - угол стреловидности крыла ЛА; BB₁ - ось крыла ЛА; l₁ - расстояние по оси крыла ЛА до точки установки O'₁ бортового трехкомпонентного магнитометра ЛА; O'₁, O'₂ - первая и вторая точки установки съемной немагнитной рейки с шестью бескардановыми трехкомпонентными магнитометрами; α₁,α₂ - углы разворота съемной немагнитной рейки вокруг вертикальной оси, при которых достигается максимальный уровень выходного сигнала по продольной составляющей каждого из шести магнитометров, снятый с регистрирующего блока. Искомое расстояние от точки нахождения бортового трехкомпонентного бескарданового магнитометра до точки расположения эквивалентного источника магнитных помех x_l = O'₁O' находят из решения косоугольного треугольника O'₁O'O'₂, например, по теореме синусов, откуда:

Перед проведением девиационных работ после установки съемной немагнитной рейки с расположенными на ней шестью бескардановыми трехкомпонентными магнитометрами по оси крыла ЛА - АВ на расстоянии l = 0,3 ... 2 м от бортового бескарданового трехкомпонентного магнитометра ЛА расстояния от точки расположения каждого из шести бескардановых трехкомпонентных магнитометров съемной немагнитной рейки определяют по следующей зависимости из решения косоугольных треугольников, вершинами которых являются точка расположения бортового трехкомпонентного бескарданового магнитометра на ЛА, точка расположения эквивалентного источника магнитных помех на ЛА и точки расположения бескардановых трехкомпонентных магнитометров на съемной немагнитной рейке. Углы определяются из следующих соотношений:

где
- расстояния от точек расположения каждого из шести бескардановых трехкомпонентных магнитометров съемной немагнитной рейки и точки расположения бортового бескарданового трехкомпонентного магнитометра ЛА;
Δl_i - расстояния между каждым из шести магнитометров на съемной немагнитной рейке.

Предположим, что на борту ЛА имеется датчик гироскопического курса, например КС-8 [10], и гировертикаль (ГВ) для определения углов гироскопического курса, тангажа и крена объекта. Параметры T_ξ и T_η в месте проведения девиационных работ известны, например, измерены с помощью магниточувствительных датчиков [2].

Тогда величину погрешности в сигнале бортового магнитометра ЛА от суммарной помехи, описываемой в первом приближении эквивалентным магнитным моментом M₂, записывают в виде:

где
T_x1, T_x2, T_x3 - показания первого (бортового) трехкомпонентного магнитометра ЛА.

Величины проекций геомагнитного поля на связанные оси объекта A(0)X1

,A(0)X2,A(0)X3 определяются по соотношениям (1);
x₁ = 1/r1 - расстояние от точки расположения эквивалентного источника магнитных помех ЛА до точки установки O₁ первого (бортового) трехкомпонентного бескарданового магнитометра.

Из соотношения (10) находят параметр магнитного момента M₂ эквивалентной магнитной помехи и углы его отклонения χ₂ и χ₃ относительно связанных осей ЛА;

Процедура может выполняться по сигналам каждого из шести трехкомпонентных магнитометров, затем данные осредняются:

Далее по известным значениям методом наименьших квадратов [8] определяют коэффициенты a(0)Xk

...a(3)Xk полинома:

в котором коэффициенты a(1)Xk,a(2)Xk,a(3)Xk описывают влияние эквивалентной магнитной помехи на показания бортового магнитометра.

Во время полета ЛА по известному соотношению [9]с использованием информации об углах крена и тангажа объекта с ГВ и по определенным на Земле коэффициентам рассчитывают магнитный курс ЛА:


а анализ четвертей (1 - 4) выполняют на основе знаков числителя и знаменателя выражения (12).

В процессе предстартовой подготовки для выполнения девиационных работ на ЛА на известном расстоянии от бортового бескарданового трехкомпонентного магнитометра 1 в его плоскости и по его осям устанавливают и ориентируют немагнитную рейку с угломерной шкалой с размещенными на ней шестью бескардановыми трехкомпонентными магнитометрами на известном расстоянии друг от друга, оси чувствительности которых параллельны.

В первый вычислитель 1 с помощью потенциометра ручной выставки или контроллера вводят данные о северной (T_ξ) и вертикальной (T_η) компонентах вектора напряженности геомагнитного поля, снятые, например, с магнитных карт местности и расстояния r_i от точки расположения эквивалентной магнитной помехи ЛА по оси до каждого из трехкомпонентных бескардановых магнитометров блоков 1 и 2, предварительно определенные по соотношениям (8, 9). По поступающим в первый вычислитель данным о проекциях вектора напряженности результирующего магнитного поля с блоков 1 и 2, углах гироскопического курса ψ_г , тангажа ν и крена γ с блоков 3 и 4 в первом вычислителе по соотношениям (1, 10, 11) определяются параметры эквивалентного источника магнитных помех на ЛА (M₂, χ₂, χ₃), на основании которых во втором вычислителе 6, например, с помощью метода наименьших квадратов определяются коэффициенты a(1)Xk

...a(3)Xk , характеризующие влияние эквивалентного источника магнитных помех на борту ЛА на показания блока 1 магнитометров ЛА, которые поступают в третий вычислитель 7 и запоминаются в нем. При этом следует отметить, что съемный блок 2 с расположенными на нем шестью трехкомпонентными магнитометрами и угломерной шкалой используется только в процессе предстартовой подготовки при проведении девиационных работ. В процессе полета по информации об углах крена (γ) и тангажа (ν) ЛА с блока 3 и параметрах a(1)Xk...a(3)Xk,r_i по соотношениям (14, 15) в третьем вычислителе определяется магнитный курс ЛА, свободный от влияния эквивалентного источника магнитных помех на борту ЛА.

В качестве датчиков блоков 1 и 2 могут быть использованы феррозондовые датчики [10] , в качестве блоков 3 и 4 - курсовая система КС-8 и гировертикаль МГВ-2 соответственно. Первый 5, второй 6 и третий 7 вычислители могут быть реализованы, например, на стандартных элементах вычислительной техники [11].

Преимущество предлагаемого способа выполнения девиационных работ перед известными заключается в повышении точности определения магнитного курса объекта, упрощениb процедуры выполнения девиационных работ и снижении их трудоемкости, поскольку при его выполнении отпадает необходимость в горизонтировании объекта и его точной установке на 18 ... 24 фиксированных курсовых положения.

Предлагаемый способ может быть реализован на любой не подготовленной заранее площадке и не требует специальных и дорогостоящих девиационных площадок и девиационных кругов. Предлагаемые зависимости для определения поправок к магнитному курсу и магнитного курса ЛА могут быть вычислены в бортовой ЦВМ [11].

Список использованных источников
1. Авторское свидетельство СССР N 1362931, кл. G 01C 17/38, 1987 Способ определения полукруговой девиации.

2. Нечаев П. А., Григорьев В.В. Магнитно-компасное дело. М.:Транспорт, 1983, 239 с.

3. Авторское свидетельство СССР N 1633930, кл. G 01 C 17/38, 1989 Способ определения девиации курсоуказателя подвижного объекта.

4. Денисов В. Г. Навигационное оборудование летательных аппаратов. М.: Оборонгиз, 1963, 384с.

5. Плотников П. К. О концепции многоточечных измерений в бортовой магнитометрии. Сарат. гос. техн. ун-т, Саратов, 1994, 23 с. Деп. в ВИНИТИ 05.12.94, N 2788-В94.

6. Введенский В. А. , Ожогин В.И. Сверхчувствительная магнитометрия и биомагнетизм. М.: Наука, ФМ, 1986, 200 с.

7. Краснов И.П. Расчетные методы судового магнетизма и электротехники. Л.: Судостроение, 1986, 216 с.

8. Демидович Б.П., Марон И.А., Шувалова Э.З. Численные методы анализа. М.:ФМ, 1963, 400 с.

9. Одинцов А. А. Гиромагнитные и гироиндукционные приборы курса, Киев, КПИ, 1975, 50 с.

10. Богданченко Н.М. Курсовые системы и их эксплуатация на самолетах. М. : Транспорт, 1983, 224 с.

11. Матов В.И., Белоусов Ю.А., Федосеев Е.П. Бортовые цифровые вычислительные машины и системы. М.: Высшая школа, 1988, 216 с.

Изобретение может быть использовано в навигации и геомагнитных измерениях с борта летательных аппаратов. Проводят предстартовые измерения бортовым магнитометром продольной, поперечной и нормальной составляющих вектора напряженности результирующего магнитного поля объекта в его курсовом положении. Дополнительно измеряют значения продольной, поперечной и нормальной составляющей результирующего магнитного поля объекта не менее чем шестью бескардановыми трехкомпонентными магнитометрами. Соответствующие оси чувствительности их параллельны и расстояние между ними фиксированы. Измеряют углы гироскопического курса, тангажа и крена на площадке с известными горизонтальной и вертикальной составляющими геомагнитного поля. Измеренные значения преобразуют в параметры эквивалентного источника магнитных помех объекта, с учетом которых в процессе движения находят значение угла магнитного курса подвижного объекта. Магнитометры устанавливают в одной плоскости и на одной прямой на съемной немагнитной рейке, имеющей поворотную угломерную шкалу. 5 ил.

Способ выполнения девиационных работ на подвижном объекте, включающий предстартовые измерения бортовым магнитометром продольной, поперечной и нормальной составляющих вектора напряженности результирующего магнитного поля объекта в его курсовом положении и измерение углов гироскопического курса, тангажа и крена на площадке с известными горизонтальной и вертикальной составляющими геомагнитного поля, нахождение значения угла магнитного курса в процессе движения подвижного объекта, отличающийся тем, что при одном курсовом положении дополнительно измеряют значения продольной, нормальной и поперечной составляющих результирующего магнитного поля объекта не менее, чем шестью бескардановыми трехкомпонентными магнитометрами, соответствующие оси чувствительности которых параллельны и расстояния между которыми фиксированы, установленными в одной плоскости и на одной прямой на имеющей поворотную с возможностью фиксации установленного положения угломерную шкалу съемной немагнитной рейке, устанавливаемой в одной плоскости и на одной прямой на фиксированном расстоянии с бескардановым трехкомпонентным бортовым магнитометром, измеренные значения преобразуют в параметры эквивалентного источника магнитных помех объекта, с учетом которых в процессе движения находят значение угла магнитного курса подвижного объекта.