МАГНИТНЫЙ КОМПАС Российский патент 1999 года по МПК G01C17/30 

Изобретение относится к навигационному приборостроению и может быть использовано для построения навигационных автономных магнитных компасов, а также магнитных компасов, предназначенных для коррекции накапливающихся ошибок гироскопов, используемых при навигации самолетов и кораблей.

Известны магнитные компасы, содержащие маятниковый датчик с двумя ортогонально ориентированными феррозондами, каждый из которых через соответствующий преобразователь соединен со своим входом указателя курса, представляющего собой, например, координатный построитель курса типа вращающегося трансформатора (а.с. N 287327, G 01 C 17/26, 1970).

В данных устройствах известны два варианта исполнения преобразователей. Так, в первом варианте преобразователи выполнены в виде избирательных усилителей переменного тока, подключаемых непосредственно к статорным обмоткам синусно-косинусного трансформатора (СКТ) указателя курса. Во втором варианте преобразователи выполняются по автокомпенсационной схеме с выходами по постоянного току. В данном случае напряжения с выходов преобразователей в обмотки СКТ указателя курса подаются через соответствующие модуляторы.

Недостатком указанных магнитных компасов является низкая точность измерения курса в географическом диапазоне широт (ϕ), в котором модуль горизонтальной составляющей B_r вектора индукции магнитного поля Земли (МПЗ) изменяется в широких пределах. Так, например, B_гmin= 600 нТл при ϕ = 80^o и B_гmax = 40000 нТл на экваторе ( ϕ = 0). Низкая точность измерения магнитного курса обусловлена низкой чувствительностью указателя курса при малых значениях горизонтальной составляющей вектора индукции МПЗ.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому и выбранным в качестве прототипа является магнитный компас (Акиндеев Ю.А. и др. Аппаратура измерения курса и вертикали на воздушных судах гражданской авиации. - М.: Машиностроение, 1989, с. 10-12, 282, 288-290; Вилявская Т.И. Авиационные приборы и автопилоты. - М.: Оборонгиз, 1954, с. 117-120, 190-193), содержащий маятниковый датчик с двумя ортогонально-оринетированными феррозондами, каждый из которых через соответствующий преобразователь соединен со своим входом указателя курса.

Магнитный компас работает следующим образом.

Проекции горизонтальной составляющей вектора индукции МПЗ, действующие на феррозонды маятникового датчика, поступают на входы соответствующих преобразователей, выделяются и преобразуются последними в сигналы, поступающие на входы указателя курса, в котором осуществляется формирование и индикация магнитного курса подвижного объекта.

Недостатком данного магнитного компаса является низкая точность измерения магнитного курса в географическом диапазоне широт, обусловленная низкой чувствительностью указателя курса при малых значениях горизонтальной составляющей вектора индукции МПЗ.

Техническим результатом, достигаемым при использовании предлагаемого технического решения, является повышение точности магнитного компаса.

Указанный результат достигается тем, что в магнитный компас, содержащий маятниковый датчик с двумя феррозондами, выходы которых подключены ко входам соответственно первого и второго усилительно-преобразовательных блоков, и указатель курса, дополнительно введены реверсивный счетчик, элемент И, генератор, два блока формирования модуля, блок выделения максимума, два пороговых блока, первый и второй усилители с регулируемым коэффициентом усиления, входы которых подключены к выходам соответственно первого и второго усилительно-преобразовательных блоков, входы управления - к выходам реверсивного счетчика, а выходы - соответственно к первому и второму входам указателя курса и входам соответственно первого и второго блоков формирования модуля, выходы которых подключены соответственно к первому и второму входам блока выделения максимума, выход которого подключен ко входам первого и второго пороговых блоков, выходы которых подключены соответственно к первому и второму входам элемента И, выход которого соединен со входом блокировки реверсивного счетчика, вход направления счета которого соединен с выходом второго порогового блока, а вход синхронизации (счета) - с выходом генератора, причем усилительно-преобразовательные блоки выполнены по автокомпенсационой схеме.

На фиг. 1 показана структурная схема магнитного компаса; на фиг. 2 - временные диаграммы работы.

Магнитный компас содержит маятниковый датчик 1 с двумя феррозондами, выходы которых подключены ко входам соответственно первого 2 и второго 3 усилительно-преобразовательных блоков, подключенные к их выходам соответственно первый 13 и второй 14 усилителя с регулируемым коэффициентом усиления, подключенный к их выходам указатель курса 4, генератор 7, реверсивный счетчик 5, выход которого подключен к входам управления усилителей с регулируемым коэффициентом усиления 13, 14, подключенные к их выходам соответственно первый 8 и второй 9 блоки формирования модуля, подключенный к их выходам блок выделения максимума 10, подключенные к его выходу первый 11 и второй 12 пороговые блоки, подключенный к их выходам элемент И 6, выход которого подключен ко входу блокирования реверсивного счетчика 5, вход направления счета которого подключен к выходу второго порогового блока 12, а вход счета (C) - к выходу генератора 7.

В предлагаемом устройстве обеспечивается высокая чувствительность измерения магнитного курса на различных географических широтах, осуществляемая путем одновременного усиления выходных величин усилительно-преобразовательных блоков 2, 3 (с одинаковыми коэффициентами усиления) при обеспечении условия отсутствия перегрузки измерительных каналов. В данном случае контроль за перегрузкой осуществляется по максимальному значению выходных напряжений усилителей с регулируемым коэффициентом усиления 13, 14.

Работа предлагаемого устройства осуществляется следующим образом.

Проекции горизонтальной составляющей вектора индукции МПЗ, действующие на феррозонды маятникового датчика 1, выделяются последними, а затем с помощью усилительно-преобразовательных блоков 2, 3 усиливаются на частоте второй гармоники напряжения возбуждения феррозондов и преобразуются в напряжения постоянного тока, подаваемые на входы усилителей с регулируемым коэффициентом усиления 13, 14, с помощью которых осуществляется усиление этих напряжений с коэффициентом усиления, задаваемым кодом реверсивного счетчика 5. В данном случае предполагается равенство коэффициентов усиления усилителей 13, 14, т. к. они формируются общим кодом реверсивного счетчика 5 и прямо пропорциональны величине этого кода. Выходные напряжения усилителей 13, 14, пропорциональные компонентам горизонтальной составляющей вектора индукции МПЗ, подаются на входы указателя курса, в котором осуществляется формирование и индикация магнитного курса подвижного объекта.

Процесс формирования коэффициентов усиления усилителей 13, 14 осуществляется следующим образом.

С помощью блоков формирования модуля 8 и 9 осуществляется формирование модулей (абсолютных величин) выходных знакопеременных напряжений U₁₃, U₁₄ усилителей 13, 14, т.е. где U₈, U₉ - выходные напряжения соответственно блоков формирования модуля 8, 9. Затем с помощью блока выделения максимума 10 из выходных напряжений блоков формирования модуля 8, 9 выделяется максимальное значение U₁₀ = max {U₈, U₉}, подаваемое на прямой и инверсный дифференциальные входы соответственно пороговых блоков 11, 12. С помощью порогового блока 12 осуществляется формирование сигнала управления направлением счета (реверса) реверсивного счетчика 5. Величины порогов срабатывания U_п1 • U_п2 пороговых блоков 11, 12 задаются близкими к верхней границе диапазона изменения выходного напряжения U₁₀ блока выделения максимума 10, соответствующей максимальному значению горизонтальной составляющей вектора индукции МПЗ, причем U_п1 > U_п2 > 0 и U_п2 > U_п1. Кроме того, разность напряжений ΔU_п = U_п2 - U_п1, как видно из фиг. 2, задает ширину сигнала блокировки U₆ (запрещения счета реверсивного счетчика 5) в виде логической единицы на входе элемента И 6 и определяет зону нечувствительности коэффициента усиления усилителей 13, 14 к изменению напряжения U₁₀. При напряжении U₁₀, принимающем значения слева от зоны нечувствительности (U₁₀ < U_п1), в реверсивном счетчике 5 осуществляется суммирование выходных импульсов генератора 7, поступающих на вход счета (C) реверсивного счетчика 5 и, наоборот, при напряжении U₁₀, принимающем значения справа от зоны нечувствительности (U₁₀ > U_п2), в реверсивном счетчике 5 осуществляется операция вычитания. В первом случае пороговые блоки 11, 12 находятся соответственно в состоянии логического нуля и логической единицы, а во втором случае - в противоположных состояниях. Скорость формирования кода в реверсивном счетчике определяется частотой выходных импульсов генератора 7. Процесс счета импульсов прекращается при попадании значений напряжения U₁₀ в зону нечувствительности. В данном случае оба пороговых блока 11, 12 находятся в состоянии логической единицы. Таким образом, условием статического равновесия в контуре регулирования является
U_п1 ≤ U₁₀ ≤ U_п2.

Постоянным удерживанием величины напряжения U₁₀ в пределах зоны нечувствительности обеспечивается необходимое значение коэффициента усиления усилителей 13, 14. Выбором необходимой ширины этой зоны обеспечивается помехоустойчивость, т.е. отсутствие колебаний младших разрядов реверсивного счетчика 5, вызываемых низкочастотными и высокочастотными помехами на входах магнитного компаса, проникающих на выход блока выделения максимума 10. Условием выбора ширины зоны нечувствительности является

где U_mпом - максимальное значение амплитуды помех на выходе блока формирования максимума 10.

Появление помех обусловлено, например, магнитными и электромагнитными наводками и вибрационным действием на чувствительные элементы.

Реализации пороговых блоков 11, 12 с гистерезисной характеристикой заметно способствует повышению помехоустойчивости. В данном случае обеспечивается отсутствие "дребезга" (колебаний) сигнала блокировки не только при нахождении значений напряжения U₁₀ в зоне нечувствительности, но и при приближении этих значений к границам этой зоны. Простым известным способом реализации гистерезисной характеристики является введение в компараторы пороговых блоков 11, 12 положительной обратной связи (Справочник по нелинейным схемам. Проектирование устройства на базе аналоговых функциональных модулей и интегральных схем. Под ред. Д. Шейнголда. Пер. с англ. под ред. В.В.Малинина. С. 21, 82, 172; Ж. Марше. Операционные усилители и их применение. Энергия. Ленинградское отделение. 1974 г. С. 64, 65).

Таким образом, плавное изменение кода в реверсивном счетчике 5 в переходном режиме и его помехоустойчивое состояние при статическом равновесии обеспечивают отсутствие колебаний значений коэффициента усиления усилителей 13, 14 и тем самым исключают возможность колебаний напряжений на входах указателя курса.

Возможность применения усилительно-преобразовательных блоков 2, 3 автокомпенсационного типа, т.е. с отрицательной обратной связью по току, подаваемому в компенсационные обмотки феррозондов (Н.М. Семенов, Н.И. Яковлев. Цифровые феррозондовые магнитометры. Ленинград. "Энергия". Ленинградское отделение. 1978 г. С. 30, 140), обеспечивают высокую помехоустойчивость и точность преобразования проекций горизонтальной составляющей вектора МПЗ. Реализация усилителей 13, 14 с регулируемым коэффициентом усиления также известна в различных вариантах (П.Гарет. Аналоговые устройства для микропроцессоров и мини-ЭВМ. Пер. с англ. под ред. М.В. Гальперина. Изд. "Мир". Москва. 1981 г. С. 130; Э.К. Шахов, В.Д. Михотин. Интегрирующие развертывающие преобразователи напряжения. Москва. Энергоатомиздат, 1986 г. С. 89).

Таким образом, предлагаемое устройство реализуемо, исключает необходимость дополнительного аналого-цифрового преобразования и, следовательно, не требует больших аппаратурных затрат.

Магнитный компас может использоваться в навигационном приборостроении. Компас содержит маятниковый датчик с двумя феррозондами, выходы которых подключены к входам соответственно первого и второго усилительно-преобразовательных блоков автокомпенсационного типа, выходы которых подключены к входам соответственно первого и второго усилителей с регулируемым коэффициентом усиления, входы управления которых соединены с выходами реверсивного счетчика, а выходы - с соответствующими входами указателя курса и с входами соответственно первого и второго блоков формирования модуля, выходы которого соединены соответственно с первым и вторым входами блока выделения максимума, выход которого соединен с входами пороговых блоков, выходы которых соединены с соответствующими входами схемы И, выход которого соединен с входом блокировки реверсивного счетчика, вход направления счета которого соединен с выходом второго порогового блока, а вход синхронизации соединен с выходом генератора импульсов. Обеспечивается высокая чувствительность измерения магнитного курса на различных географических широтах. 2 ил.

Магнитный компас, содержащий маятниковый датчик с двумя феррозондами, выходы которых подключены к входам соответственно первого и второго усилительно-преобразовательных блоков, и указатель курса, отличающийся тем, что содержит реверсивный счетчик, элемент И, генератор, два блока формирования модуля, блок выделения максимума, два пороговых блока, первый и второй усилители с регулируемым коэффициентом усиления, входы которых подключены к выходам соответственно первого и второго усилительно-преобразовательных блоков, входы управления - к выходам реверсивного счетчика, а выходы - соответственно к первому и второму входам указателя курса и входам соответственно первого и второго блоков формирования модуля, выходы которых подключены соответственно к первому и второму входам блока выделения максимума, выход которого подключен к входам первого и второго пороговых блоков, выходы которых подключены соответственно к первому и второму входам элемента И, выход которого соединен с входом блокировки реверсивного счетчика, вход направления счета которого соединен с выходом второго порогового блока, а вход синхронизации счета - с выходом генератора, причем усилительно-преобразовательные блоки выполнены по автокомпенсационной схеме.