БЕСПЛАТФОРМЕННАЯ ИНЕРЦИАЛЬНАЯ НАВИГАЦИОННАЯ СИСТЕМА ПОДВОДНОГО АППАРАТА Российский патент 1998 года по МПК G01C21/00 

Изобретение относится к средствам навигации и управления движущимися объектами, а именно к способам и средствам инерциальной навигации.

Известны системы инерциальной навигации, содержащие гиростабилизированную платформу с измерителями, блоки питания, вычисления и индикации (см. А. Ю. Ишлинский. Ориентация, гироскопы и инерциальная навигация. -М.: Наука, 1976; В.Б.Дегтярева, Ю.В.Дубко. Системы автоматического управления летательными аппаратами. -М.: Машиностроение, 1988, с. 79).

Основным достоинством таких навигационных систем является высокая точность вычисления координат подводного аппарата в течение длительного времени его нахождения под водой без использования другой информации о местонахождении аппарата, получаемой извне. Однако решения-аналоги имеют ряд недостатков, не позволяющих применять их на небольших подводных аппаратах, используемых для производства подводных аварийно-спасательных работ. Использование в гиростабилизированной платформе кардановых подвесок обуславливает большой объем и массу установки. К тому же гиростабилизатор (платформа с системой карданова подвеса) является сложным и дорогим в производстве и эксплуатации прибором и, являясь прецизионным устройством, требует работы в весьма благоприятных условиях. Кроме того, гиростабилизированные платформы требуют длительной по времени выставки в горизонте и в азимуте в стояночном режиме подводного аппарата, что сложно обеспечить в условиях базирования подводного аппарата на аварийно-спасательном судне и при работе последнего в высоких широтах.

Отмеченные недостатки частично устранены в бесплатформенной инерциальной навигационной системе, содержащей последовательно соединенные блок измерителей, выполненный в виде трех акселерометров и трех гироскопических измерителей угловой скорости, навигационный вычислитель и блок индикации, а также блок питания (Патент Англии N 1044363, G 01 C, 1963 - прототип).

Отсутствие карданова подвеса в бесплатформенной инерциальной навигационной системе и жесткое установление блока измерителей на борту подводного аппарата по трем осям связанной системы координат обеспечивают такой навигационной системе определенные преимущества, которые заключаются в простоте эксплуатации системы, сравнительно малых массе и размерах, упрощенной компоновке, более простой механике всей системы в целом, в возможности работать при любых маневрах аппарата (см. Б.В.Дегтярева, Ю.В.Дубко. Системы автоматического управления летательными аппаратами. -М.: Машиностроение, 1988, с. 81).

Однако недостаток, связанный с необходимостью выполнения длительной выставки инерциальной навигационной системы перед погружением подводного аппарата в указанном решении не устраняется, что ограничивает технические возможности подводных аппаратов при их применении для производства аварийно-спасательных работ под водой. Вследствие наличия момента трения в опорах гироскопических измерителей угловой скорости гироскопы последних прецессируют в соответствии с прецессионной теорией гироскопов (см. А.Ю.Ишлинский. Ориентация, гироскопы и инерциальная навигация. -М.: Наука, 1976, с. 348-359), что обуславливает наличие одной из компонент систематической погрешности вычисления координат указанной инерциальной навигационной системой. Другая компонента погрешности обусловлена неточным знанием радиуса Земли в месте погружения подводного аппарата, в результате чего компенсация угловой скорости аппарата, обусловленная суточным вращением Земли, в указанной инерциальной навигационной системе может быть осуществлена с погрешностью, влияющей на точность определения координат подводного аппарата.

Задачей заявленного изобретения является устранение отмеченных недостатков, а именно повышение точности вычисления координат подводного аппарата его инерциальной навигационной системой.

Технический результат достигается включением новых блоков и иной связью между блоками в бесплатформенной инерциальной навигационной системе подводного аппарата, содержащей последовательно соединенные блок измерителей, выполненный в виде трех акселерометров и трех гироскопических измерителей угловой скорости, навигационный вычислитель и блок индикации, а также блок питания, выход которого соединен с вторыми входами навигационного вычислителя и блока индикации. Согласно изобретению в нее введены блок регистрации фиксации аппарата, а также не менее пяти блоков компенсации погрешности, выполненных в виде последовательно соединенных первого блока И, второй вход которого соединен с выходом блока регистрации фиксации аппарата, блока определения поправки, второго блока И, второй вход которого соединен с вторым входом первого блока И через блок НЕ, и блока формирования параметра, второй вход которого соединен с первым входом первого блока И, при этом первый, второй и третий блоки компенсации погрешности установлены в разрыве цепей, соединяющих выходы гироскопических измерителей угловой скорости с первыми входами навигационного вычислителя, а остальные блоки компенсации погрешности установлены в разрыве цепей, соединяющих выходом навигационного вычислителя с первыми входами блока индикации, выход блока питания соединен с входом блока измерителей.

Идея предложенного технического решения заключается в использовании информации о прикреплении подводного аппарата к неподвижному подводному объекту для определения систематических погрешностей измерителей угловой скорости и навигационного вычислителя с последующим учетом этих погрешностей при определении координат подводного аппарата при его движении. (Вследствие нулевой плавучести в сочетании с небольшой массой подводного аппарата реакции, возникающие при воздействии рабочего инструмента на подводный объект, отбрасывают незакрепленный аппарат от объекта и выполнение какой-либо механической работы незакрепленным аппаратом становится невозможным).

Покажем существенность отличительных признаков.

Введение блока регистрации фиксации аппарата для бесплатформенных инерциальных навигационных систем является новым решением. Оно обеспечивает регистрацию моментов времени, когда координаты аппарата фактически перестают изменяться и когда это изменение возможно (в то время, когда инерциальная навигационная система в решении-прототипе "не знает" о фактической остановке аппарата).

Введение в навигационную систему не менее пяти блоков компенсации погрешности и размещение их соответственно в разрыве цепей, соединяющих выходы блоков измерителей угловой скорости с первыми входами навигационного вычислителя, и в разрыве цепей, соединяющих выходы навигационного вычислителя с первыми входами блока индикации, также является новым решением, обеспечивающим возможность компенсации систематических погрешностей измерителей угловой скорости и навигационного вычислителя.

Выполнение блоков компенсации погрешности в виде последовательно соединенных первого блока И, второй вход которого соединен с выходом блока регистрации фиксации аппарата, блока определения поправки, второго блока И, второй вход которого соединен со вторым входом первого блока И через блок НЕ, и блока формирования параметра, второй вход которого соединен с первым входом первого блока И, также является новым для навигационных систем решением. Оно обеспечивает определение систематических погрешностей измерителей угловой скорости и навигационного вычислителя только при неподвижном аппарате, когда его координаты не изменяются.

Кроме того, благодаря такому выполнению блоков компенсации погрешности и связей их с остальными блоками навигационной системы обеспечивается возможностью учета данных систематических погрешностей при движении аппарата, когда его координаты изменяются.

Соединение выхода блока питания с входом блока измерителей в предложенном решении обеспечивает электропитанием двигатели гироскопов измерителей угловой скорости, а через блок измерителей - и питание блоков компенсации погрешности. Отсутствие соединения выхода блока питания с входом блока измерителей в решении-прототипе (как и в решении по авторскому свидетельству SU N 1036153, прототипом которому также служит патент Англии N 1044363, G 01 C, 1963) формально делает решение-прототип неработоспособным, ибо питание гироскопических измерителей угловой скорости не менее существенно, чем питание навигационного вычислителя и блока индикации.

Сущность предлагаемого технического решения поясняется рисунками, где на фиг. 1 представлена схема предлагаемой бесплатформенной инерциальной навигационной системы; на фиг. 2 - иллюстрация сущности уменьшения погрешности инерциальной навигационной системы, определяемой из соотношения:
,
где
σ - приведенное среднее квадратическое отклонение координат подводного аппарата;
σ_ϕ и σ_λ - средние квадратические отклонения соответственно широты и долготы места аппарата.

Бесплатформенная инерциальная навигационная система подводного аппарата (фиг. 1) содержит:
блок 1 - блок питания;
блок 2 - блок измерителей;
блок 3 - навигационный вычислитель;
блок 4 - блок индикации;
блоки 5, 6 и 7 - соответственно первый, второй и третий акселерометры;
блоки 8, 9 и 10 - соответственно первый, второй и третий гироскопические измерители угловой скорости.

Блоки 1 - 10 характеризуют прототип. Дополнительно к блокам 1 - 10 в навигационную систему введены следующие новые блоки.

Блок 11 - блок регистрации фиксации аппарата.

В качестве такого блока может быть использован концевой включатель - широко распространенное техническое устройство, обеспечивающее выдачу на выходе блока сигнала при установлении его рабочего органа (штока, мембраны и т. п. ) в штатное положение, которое занимает концевой включатель при пристыковке аппарата к подводному объекту.

Блоки 12, 13, 14, 15, 16 и 17 - блоки компенсации погрешности, каждый из которых выполнен в виде последовательно соединенных первого блока И, блока определения поправки 18, второго блока И, блока формирования параметра 19.

Блок 18 - блок определения поправки. Может быть выполнен в виде микропроцессора с памятью, реализующего определенный вычислительный алгоритм. Применительно к блокам 12, 13 и 14 указанный вычислительный алгоритм реализует программу для вычисления функции:

где
ω_пр - средняя скорость прецессии гироскопа за период времени (t-T_н);
T_н - время начала вычислений;
t - текущее время;
ω(t) - "мгновенная" угловая скорость, определяемая измерителем угловой скорости.

Применительно же к блокам 15, 16, и 17 в блоке определения поправки 18 в их составе реализуется вычислительный алгоритм для вычисления величины:

где
ρ - поправка вычисляемой координаты;
ρ_t - текущее значение координаты, выдаваемое навигационным вычислителем;
значение координаты в момент T_н начала вычисления поправки.

В общем случае навигационный вычислитель вычисляет три координаты; широту места ϕ, долготу места λ и глубину (расстояние от дна) h. Если же глубина места h на подводном аппарате определяется эхолотом, то, естественно, блок 17 компенсации погрешности навигационная система не содержит и, следовательно, минимальное число таких блоков в предлагаемом решении равно пяти.

Блок 19 - блок формирования параметра из состава блока компенсации погрешности. Он также может быть выполнен в виде процессора, реализующего вычислительный алгоритм для определения величины:
x = x₂ - x₁,
где
x - значение параметра, формируемого на выходе блока;
x₂ - текущее значение параметра, поступающего на второй вход блока;
x₁ - значение поправки, поступающее на первый вход блока.

Система работает следующим образом.

При погружении подводного аппарата сигналы "кажущегося" ускорения поступают из выходов акселерометров 5, 6 и 7 на первые входы навигационного вычислителя 3. Сигналы угловой скорости вращения аппарата поступают с выходов акселерометров 8, 9 и 10 соответственно на первые входы блоков 12, 13 и 14 компенсации погрешности и через них на вторые входы блоков 19 формирования параметра. Так как подводный аппарат первоначально движется и не зафиксирован на неподвижном объекте, то на выходе блока 11 регистрации фиксации аппарата сигнал отсутствует и, следовательно, отсутствует сигналы на выходе первого блока И. Поэтому отсутствует сигнал на входе блока 18 определения поправки, вследствие чего на его выходе формируется "машинный "0"". Этот "машинный "0"" через второй блок И (в этот момент на его втором входе присутствует сигнал, формируемый блоком НЕ) передается на первый вход блока 19 формирования параметра, и в соответствии с соотношением (4) на выходе блока 19 присутствует сигнал, соответствующий значению параметра, поступающего на второй вход блока 19. В итоге на первые входы навигационного вычислителя 3 и блока индикации 4 по-прежнему поступают сигналы, идентичные сигналам решения-прототипа.

Когда же подводный аппарат достигает подводного объекта, происходит их состыковка и факт фиксации регистрируется блоком 11. На его выходе появляется сигнал, соответственно, появляется сигнал на втором входе первого блока И, пропадает сигнал на втором входе второго блока И. Блоки 18 в блоках компенсации погрешности 12, 13, 14, 15, 16 и 17 начинают вычислять поправку в соответствии с соотношениями соответственно (2) и (3). Однако на первые входы навигационного вычислителя 3 и блока индикации 4 по-прежнему поступают сигналы, идентичные сигналам решения-прототипа вследствие того, что на первый вход блока 19 через второй блок И с выхода блока 18 сигнал не поступает (на первом входе блока 19, как это принято в процессорах, в это время присутствует "машинный "0"").

На фиг. 2 этому состоянию навигационной системы соответствует участок кривой погрешности определения координат σ, заключенный между отметками времени погружения T_н и T_p.

Когда в момент времени t = T_p подводный аппарат отстыковывается от неподвижного объекта, сигнал на входе блока 18 пропадает и последнее значение вычисленной в ней поправки, "запомненное" в памяти процессора, с выхода блока 18 через второй блок И поступает на первый вход блока 19 формирования параметра. Поэтому с выходов блоков 12, 13, 14, 15, 16 и 17, соответствующих выходам блоков 19 из состава первых, на первые входы навигационного вычислителя 3 и блока индикации 4 поступают сигналы, в которых учтены систематические ошибки соответственно гироскопических измерителей угловой скорости 8, 9 и 10 и навигационного вычислителя 3, определенные за время нахождения подводного аппарата в состыкованном состоянии с неподвижным подводным объектом. Этому состоянию навигационной системы соответствует участок кривой на фиг. 2 после момента времени t > T_p - момента расстыковки аппарата с подводным объектом.

Таким образом, на основе анализа структуры и функционирования схемы предложенного технического решения можно заключить, что бесплатформенная инерциальная навигационная система, в которой реализовано данное решение, обладает преимуществами, отвечающими поставленной цели - повышение точности вычисления координат подводного аппарата.

Реализация предложения отвечает целям навигации, так как удовлетворяются такие требования, предъявляемые к системам автоматической навигации, как высокая точность и малое время подготовки. Повышается и безопасность использования подводных аппаратов, особенно на окраинных, большую часть года покрытых льдом, морях континентального шельфа при эксплуатации морских месторождений нефти и газа, когда вероятность возвращения подводного аппарата в большой мере зависит от точности определения его координат бортовой навигационной системой. Предложение реализовано в виде имитационной модели, подтвердившей при ее испытаниях на ЭВМ существенное повышение точности определения координат подводного аппарата при совершении с его помощью подводных работ, связанных с прикреплением аппарата к неподвижному объекту.

Система предназначена для управления движущимися объектами. Система содержит последовательно соединенные блок измерителей, выполненный в виде трех акселерометров и трех гироскопических измерителей угловой скорости, навигационный вычислитель и блок индикации, а также блок питания, выход которого соединен с вторыми входами навигационного вычислителя и блока индикации. В систему введены блок регистрации фиксации аппарата, а также не менее пяти блоков компенсации погрешности, выполненных в виде последовательно соединенных первого блока И, второй вход которого соединен с выходом блока регистрации фиксации аппарата, блока определения поправки, второго блока И, второй вход которого соединен с вторым входом первого блока И через блок НЕ, и блока формирования параметра, второй вход которого соединен с первым входом первого блока И. Первый, второй и третий блоки компенсации погрешности установлены в разрыве цепей, соединяющих выходы гироскопических измерителей угловой скорости с первыми входами навигационного вычислителя. Остальные блоки компенсации погрешности установлены в разрыве цепей, соединяющих выходы навигационного вычислителя с первыми входами блока индикации. Выход блока питания соединен с входом блока измерителей. Обеспечивается повышение точности автоматической навигации подводных аппаратов и сокращение времени подготовки системы. 2 ил.

Бесплатформенная инерциальная система подводного аппарата, содержащая последовательно соединенные блок измерителей, выполненный в виде трех акселерометров и трех гироскопических измерителей угловой скорости, навигационный вычислитель и блок индикации, а также блок питания, выход которого соединен с вторыми входами навигационного вычислителя и блока индикации, отличающаяся тем, что в нее введены блок регистрации фиксации аппарата, а также не менее пяти блоков компенсации погрешности, выполненных в виде последовательно соединенных первого блока И, второй вход которого соединен с выходом блока регистрации фиксации аппарата, блока определения поправки, второго блока И, второй вход которого соединен с вторым входом первого блока И через блок НЕ, и блока формирования параметра, второй вход которого соединен с первым входом первого блока И, при этом первый, второй и третий блоки компенсации погрешности установлены в разрыве цепей, соединяющих выходы гироскопических измерителей угловой скорости с первыми входами навигационного вычислителя, а остальные блоки компенсации погрешности установлены в разрыве цепей, соединяющих выходы навигационного вычислителя с первыми входами блока индикации, выход блока питания соединен с входом блока измерителей.