СПОСОБ ГИРОКОМПАСИРОВАНИЯ ТРЕХОСНОГО ГИРОСТАБИЛИЗАТОРА Российский патент 1999 года по МПК G01C19/44 

Изобретение относится к области измерительной техники, конкретно к той ее части которая занимается вопросами азимутального ориентирования подвижных объектов, имеющих в системах управления гиростабилизаторы.

Из литературы [1] известно, что режим гирокомпаса трехосного гиростабилизатора, или его гирокомпасирование как процесс может быть реализован при помощи элементов самого гиростабилизатора: акселерометров, гироскопов или командных датчиков угла различными способами.

Наиболее близким по технической сущности следует считать способ гирокомпасирования трехосного гиростабилизатора [2], заключающийся в том, что в исходном положении при помощи двух горизонтальных акселерометров оси чувствительности двух горизонтальных гироскопов горизонтируют вместе с платформой гиростабилизатора, на которой они установлены, а ось чувствительности вертикального гироскопа удерживают в вертикальном положении, затем гиростабилизатор переключают в режим гирокомпаса путем формирования при помощи датчика момента вертикального гироскопа момента коррекции, пропорционального углу отклонения платформы гиростабилизатора от плоскости горизонта.

Недостатком этого способа, как и других способов, реализованных в трехстепенных гирокомпасах, следует считать сравнительно низкое быстродействие и точность, поэтому режим гирокомпасирования занимает достаточно много времени, а направление меридиана определяется недостаточно точно.

Это происходит потому, что сигнал, подаваемый от акселерометра для формирования момента коррекции вертикального гироскопа, пропорционален углу отклонения платформы от плоскости горизонта. При движении платформы к меридиану величина этого угла уменьшается, уменьшается и момент коррекции, а следовательно и скорость прецессии платформы. Усиление сигнала в усилителе приводит к нарушению апериодического (компасного) движения платформы. Поэтому у известных ТГС прецессия платформы к меридиану занимает достаточно много времени.

Низкая точность определения меридиана современными ТГС объясняется тем, что точностные характеристики гироскопов соответствуют заданным требованиям выполнения основной задачи объекта стабилизации и часто не позволяют обеспечить повышенные требования по точности азимутального ориентирования ТГС.

Целью настоящего изобретения является сокращение временных затрат и повышение точности при определении направления меридиана трехосным гиростабилизатором.

Эта цель достигается тем, что один из акселерометров переводят в режим автоколебаний, используют его выходной сигнал для выделения составляющих, пропорциональных угловой скорости и угловому ускорению компасного движения платформы гиростабилизатора, которые после усиления и преобразования суммируют и используют для формирования дополнительного момента коррекции вертикального гироскопа, а затем, после приведения платформы гиростабилизатора к направлению меридиана, один из гироскопов переводят в режим автоколебаний и по его информации уточняют азимутальное положение платформы гидростабилизатора.

Сущность предлагаемого способа гирокомпасирования трехосного гиростабилизатора может быть показана при помощи принципиальной схемы, которая представлена на фиг. 1.

В состав ТГС для гирокомпасирования входят: два горизонтальных гироскопа Г₂, Г₃, один вертикальный гироскоп Г₁ и два горизонтальных акселерометра А₂, А₃, установленные на платформе 1, заключенной при помощи рамок 2 и 3 в карданов подвес, с тремя степенями свободы и тремя стабилизирующими двигателями СД₁, СД₂, СД₃, которые отрабатывают сигналы рассогласования соответствующих следящим системам [2]. На фиг.1 показаны системы координат: OX_пY_пZ_п, связанная с платформой, и ONLξ, оси которой ориентированы по сторонам света, причем ось ON направлена на север, ось OL направлена по вертикали места, а ось Oξ направлена на восток. Тогда плоскость NOξ является плоскостью горизонта, а плоскость NOL - плоскостью меридиана. Эта СК имеет проекции угловой скорости ω_з суточного вращения Земли: горизонтальную ω_N = ω_зcosϕ = ω_г и вертикальную ω_L = ω_зsinϕ = ω_в.
Взаимное положение CK OX_пY_пZ_п и ONLξ определяется углами α₁, α₂, α₃ поворота платформы, которые имеют место при произвольном состоянии платформы. Указанные углы могут иметь различные значения, поэтому перед гирокомпасированием гиростабилизатора необходимо привести платформу в исходное положение, которое характеризуется тем, что оси чувствительности горизонтальных гироскопов Г₂ и Г₃ вместе с платформой горизонтируют при помощи следующих систем (см. фиг. 1). Для этого используют сигналы от акселерометров А₂, A₃ через усилители коррекции К₂, К₃, датчики моментов ДМ₂, ДМ₃. Далее сигналы с датчиков угла ДУП₂, ДУП₃ гироскопов Г₂, Г₃ через усилители УСС₂, УСС₃ поступают на стабилизирующие двигатели СД₂, СД₃, которые поворачивают платформу вместе с гироскопами и акселерометрами к установившимся значениям углов.

Вертикальный гироскоп при этом вертикализуется, а ось чувствительности удерживается в вертикальном положении при помощи следящей системы в составе: датчик угла ДУ₁, усилитель К₁ и далее, как показано на фиг. 1, по цепочке ДМ₁, ДУП₁, УСС₁ и СД₁.

Для реализации предлагаемого способа гирокомпасирования дополнительно к схеме трехосного гиростабилизатора необходимо подключать в нужные моменты времени, о чем будет сказано, дополнительные, но известные устройства [3, 4] : автогенератор 4 акселерометра A₃ с формирователем производных 5 и генератором тактовой частоты 8, а также автогенератор 6 гироскопа Г₃ с измерителем азимута 7.

Для перевода гиростабилизатора в первый режим гирокомпаса необходимо повысить чувствительность акселерометра А₃. Известно [4], что автоколебательный режим акселерометра, например, при помощи автогенератора 4, способен повысить его чувствительность, что помогает при помощи формирователя производных 5 из сигнала акселерометра A₃, пропорционального углу α₃, выделить, также известно образом [3], сигналы, пропорциональные первой а₃ и второй а₃ производным угла отклонения платформы от плоскости горизонта, т.е. при помощи известных устройств могут быть измерены угловая скорость и угловое ускорение компасного движения платформы гиростабилизатора.

При включении ключа Кл₁ в верхнее положение появляется возможность при помощи усилителя коррекции в датчике момента ДМ₁ и ДМ₃ сформировать моменты коррекции M*к1

Математическое моделирование уравнений (2) с учетом правых частей показало, что введение первой а₃ и второй а₃ производных угла а₃ в закон коррекции вертикального гироскопа способствует повышению быстродействия режима гирокомпасирования ТГС.

Степень повышения быстродействия гирокомпасирования зависит от выбора коэффициентов S₁, S₁₁, S₁₂, S₃.

Действительно, решение уравнений (2) имеет вид:
α₁(t) = α₁₀exp(-h₁+iω₁)t+α₁₂(t);
α₃(t) = α₃₀exp(-h₁-iω₁)t+α₃₂(t),
где α₁₀ и α₃₀ - начальные углы отклонения платформы от плоскости меридиана и горизонта соответственно, α₁₂(t), α₃₂(t) - частные решения, определяемые правыми частями уравнений (3): вещественная и мнимая части корней уравнений (3).

Найдено оптимальное соотношение коэффициентов момента коррекции: S₁ = K₁/H₁ = 126,59 1/с, S₁₁ = K₁₁/H₁ = 2450 б/р, S₁₂ = K₁₂/H₁ = 10000 с, S₃ = K₃/H₃ = 0,0189 1/с, при которых время приведения платформы от начального угла α₁₀ = 90 град. к направлению меридиана с погрешностью Δα_1уст = - (1^o - 10 угл.мин), составило не более t_пр = 20 - 38 сек, соответственно.

В известных гирокомпасах без производных в законе управления вертикальным гироскопом значения коэффициентов и время составляет t_пр = 980 сек, т.е. предлагаемый способ гирокомпасирования имеет повышенное быстродействие.

После окончания переходного процесса азимутальное положение оси OX_п платформы будет сохраняться в пределах погрешности Δα_1уст за счет работы системы коррекции вертикального гироскопа (ключ Кл₁ в правом положении) в составе: датчика угла ДУα₁, усилителя коррекции К₁, датчика момента ДМ₁, датчика угла ДУ₁, усилителя УСС₁, стабилизирующего двигателя СД₁.

Положение платформы относительно горизонтальных осей OX_п и OZ_п будет отслеживать плоскость горизонта по сигналам акселерометров А₂ и А₃, причем относительно оси OX_п работает система маятниковой коррекции в составе: акселерометра А₂, усилителя К₂, датчика момента ДМ₂, датчика угла ДУ₂, усилителя УСС₂, а по оси OZ_п - в составе: акселерометра А₃, усилителя коррекции К₃, контактов ключа КЛ₂, датчика момента ДМ₃, датчика угла ДУ₃, усилителя УСС₃ и стабилизирующего двигателя СД₃. В таком положении предварительного ориентирования платформа может находиться как угодно долго.

Для уточнения азимутального положения оси OX_п платформы необходимо выполнить переключение элементов ТГС. По общей команде ключи Кл₂ и Кл₃ устанавливаются в верхнее положение. При этом гироскоп Г₃ переводят в режим автоколебаний при помощи автогенератора 6, а датчик угла ДУП₃ отключается из цепочки горизонтирования и подключается к измерителю азимута 7. Горизонтирование платформы относительно оси OX_п при этом должно сохраниться, т.к. выход усилителя коррекции К₃ будет подключен на вход усилителя УСС₃.

Уточнение положения оси OX_п платформы от направления меридиана происходит по информации гироскопа Г₃, работающего в режиме автоколебаний а соответствии с известным способом [4] функционирования измерительных устройств.

Принцип уточнения азимутального положения оси OX_п показан на фиг. 2, где обозначено: N - северное направление меридиана, OX_п - отклонение оси платформы на угол Δα_1уст, величину которого необходимо измерить при помощи гироскопа Г₃, переключенного в режим автоколебаний за счет наличия в схеме автогенератора 6 нелинейного звена, имеющего статическую характеристику в виде, например, петли гистерезиса.

Применяя известную теорию автоколебаний [4] к режиму двухстепенного гирокомпаса, получили формулу, устанавливающую связь между разностью импульсов n₂ - n₁ на выходе измерителя 7 и азимутом Δα_1уст оси OX_п платформы
n₂-n₁ = Hω_гf_тT_oΔα_1уст/K_дмI_o, (4)
где Hω_г - направляющий момент гирокомпаса,
f_т - частота тактовых импульсов,
Т₀ - период автоколебаний,
К_ДМ - коэффициент датчика момента гироскопа,
I₀ - величина тока в режиме автоколебаний.

Математическое моделирование режима автоколебаний гироскопа Г₃ с учетом выражения (4) показало, что использование автоколебательного режима гироскопа Г₃ способствует повышению его чувствительности как измерителя отклонения платформы от направления на север, которое в свою очередь приводит к повышению точности определения азимутального положения ТГС.

Для современных гироскопов с нестабильностью уходов независимых от ускорения порядка ω_д = 1•10^-2 угл. мин/мин, использование тактовых импульсов с частотой f_т = 1 • 10⁷ Гц и при автоколебаниях с частотой f₀ = 1/T₀ = 50 - 100 Гц получено повышение чувствительности более чем в ~10 раз, что позволит обеспечить точность определения азимутальной ориентации ТГС на уровне 30 угл.сек при прочих равных условиях.

Без режима автоколебаний гироскоп с дрейфом ω_д = 1•10^-2 угл.мин/мин позволяет уточнить положение меридиана с погрешностью Δα_1уст = ω_д/ω_г = 1•10^-2/7,5 = 1,3•10^-3 рад ~5 угл.мин.

Приведенные результаты исследований подтверждают, что заявленная цель изобретения может быть достигнута за счет осуществления двойного гирокомпасирования: вначале - режима трехстепенного гирокомпаса с повышенным быстродействием, а затем осуществлением режима двухстепенного гирокомпаса повышенной чувствительности.

Источники информации
1. Б. И.Назаров и др. Командно-измерительные приборы. МО СССР, 1967, с. 588.

2. Там же, с. 592-605.

3. В. Б. Давыдов и др. Функциональная обработка сигналов в автономных системах навигации и управления подвижными объектами. Приборостроение N 4, 1990, с. 37-42.

4. А. И. Скалон. Обобщенный анализ характеристик прецизионных датчиков механических величин, работающих в режиме автоколебаний. Измерительная техника N 3, 1990, с.7-8.

Способ предназначен для азимутального ориентирования подвижных объектов, имеющих системы управления с трехосными гиростабилизаторами. В исходном положении при помощи двух горизонтальных акселерометров оси чувствительности двух горизонтальных гироскопов горизонтируют вместе с платформой гиростабилизатора, на которой они установлены. Ось чувствительности вертикального гироскопа удерживают в вертикальном положении. Затем гиростабилизатор переключают в режим гирокомпаса путем формирования при помощи датчика момента вертикального гироскопа момента коррекции, пропорционального углу отклонения платформы гиростабилизатора от плоскости горизонта. Один из акселерометров переводят в режим автоколебаний, используют его выходной сигнал для выделения составляющих, пропорциональных угловой скорости и угловому ускорению компасного движения платформы гиростабилизатора, которые после усиления и преобразования суммируют и используют для формирования дополнительного момента коррекции вертикального гироскопа. Затем после приведения платформы гиростабилизатора к направлению меридиана один из гороскопов переводят в режим автоколебаний и по его информации уточняют азимутальное положение платформы гиростабилизатора. Изобретение позволяет сократить временные затраты и повысить точность при определении направления меридиана трехслойным гиростабилизатором. 2 ил.

Способ гирокомпасирования трехосного гиростабилизатора, заключающийся в том, что в исходном положении при помощи двух горизонтальных акселерометров оси чувствительности двух горизонтальных гироскопов горизонтируют вместе с платформой, на которой они установлены, а ось чувствительности вертикального гироскопа удерживают в вертикальном положении, затем гиростабилизатор переключают в режим гирокомпаса путем формирования при помощи датчика момента вертикального гироскопа момента коррекции, пропорционального углу отклонения платформы от плоскости горизонта, отличающийся тем, что, с целью сокращения временных затрат и повышения точности определения направления меридиана, один из акселерометров переводят в режим автоколебаний, используют его выходной сигнал для выделения составляющих, пропорциональных угловой скорости и угловому ускорению компасного движения платформы гиростабилизатора, которые после усиления и преобразования суммируют и используют для формирования дополнительного момента коррекции вертикального гироскопа, а затем, после приведения платформы гиростабилизатора к направлению меридиана, один из гироскопов переводят в режим автоколебаний и по его информации уточняют азимутальное положение платформы гиростабилизатора.