АЗИМУТАЛЬНЫЙ МАГНИТООПТИЧЕСКИЙ ОРИЕНТАТОР Российский патент 2000 года по МПК G01C17/00 

Изобретение относится к технике автономной ориентации и может быть использовано при определении ориентации стационарных объектов относительно Земли.

Наиболее известным магнитным ориентатором является магнитный компас [В. Ф. Кузнецов. Навигация. -М.: Морской транспорт, 1956. -стр. 69], недостаток которого - низкая точность определения магнитного меридиана.

Наиболее близким по техническому исполнению к предложенному устройству является самоориентирующийся гиростабилизатор гирокомпасного типа [Г.А. Хлебников. Начальная выставка инерциальных навигационных систем. -М.: Военная академия им. Ф.Э. Дзержинского, 1994. -рис.7.7., стр.308], содержащий вращающееся основание, установленное в кардановом подвесе, двигатели, два канала горизонтирования основания и канал азимутального ориентирования (с акселерометрами в качестве чувствительных элементов).

Недостатком данного ориентатора является невозможность обеспечения устойчивого положения осей прибора при решении задачи ориентирования, что приводит к низкой точности измерений. Заявленное изобретение направлено на решение задачи повышения точности азимутального ориентирования стационарных объектов относительно направления горизонтальной составляющей вектора напряженности геомагнитного поля Земли.

Подобная задача возникает при проведении топогеодезических работ, в морской навигации, при определении ориентации космических объектов и т.д.

Сущность изобретения состоит в том, что в устройстве карданов подвес выполнен двухосным, в канал азимутального ориентирования введены источник когерентного излучения, управляемый оптический фазовый модулятор, неуправляемый оптический фазовый модулятор, фокусирующая линза, сканистор, дифференциатор, два компаратора, элемент ИЛИ-НЕ, генератор тактовых импульсов, элемент задержки, счетчик, выход источника когерентного излучения оптически связан со входом управляемого оптического фазового модулятора и входом неуправляемого оптического фазового модулятора, выходы которых оптически связаны со входом фокусирующей линзы, выход которой оптически связан с информационным входом сканистора, выход которого подключен ко входу первого компаратора и входу дифференциатора, выход которого подключен ко входу второго компаратора, выход первого компаратора подключен к первому входу элемента ИЛИ-НЕ, второй вход которого соединен с инверсный выходом второго компаратора, выход логического элемента ИЛИ-НЕ подключен к управляющему входу счетчика, счетный вход которого соединен с выходом элемента задержки, вход которого соединен с выходом генератора тактовых импульсов, вход генератора тактовых импульсов и управляющий вход сканистора объединены со входом запуска, выход счетчика является выходом канал азимутального ориентирования, являющийся выходом устройства.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3, где представлены функциональные схемы азимутального магнитооптического ориентатора (АМО), ориентирования и схема конструктивного исполнения оптической системы азимутального канала.

АМО содержит вращающееся основание 1, каналы горизонтирования (КГ) 2₁, 2₂, канал азимутального ориентирования (КАО) 3, двигатели каналов горизонтирования 4₁, 4₂, двухосный карданов подвес 5, корпус устройства 6.

Вращающееся основание 1 установлено в двухосном кардановом подвесе 5, который обеспечивает возможность его горизонтирования с помощью двигателей 4₁, 4₂. На основании 1 размещены КГ 2₁ и 2₂, а также КАО 3. Выход КГ 2₁ подключен ко входу двигателя 4₁, выход КГ 2₂ подключен ко входу двигателя 4₂, выходом АМО является выход КАО 3. КГ 2₁ и 2₂ выполнены идентично, их состав и работа аналогична составу и работе каналов горизонтирования прототипа [Г. А. Хлебников. Начальная выставка инерциальных навигационных систем. -М.: Военная академия им. Ф.Э. Дзержинского, 1994. -стр. 309].

На фиг. 2 приведена функциональная схема КАО 3. Канал азимутального ориентирования 3 содержит оптическую систему, состоящую из источника когерентного излучения 7, управляемого оптического фазового модулятора (ОФМ) 8₁, неуправляемого ОФМ 8₂, фокусирующей линзы (ФЛ) 9, сканистора 10 [Ю.Г. Якушенков. Теория и расчет оптико-электронных приборов. -М.: Машиностроение, 1989. -стр. 135], а также дифференциатор 11, компараторы 12₁ и 12₂, логический элемент ИЛИ-НЕ 13, генератор тактовых импульсов (ГТИ) 14, элемент задержки 15, счетчик 16.

Выход источника когерентного излучения 7 оптически связан со входом управляемого ОФМ 8₁ и входом неуправляемого ОФМ 8₂, выходы ОФМ 8₁, 8₂ оптически связаны со входом ФЛ 9, выход которой оптически связан с информационным входом сканистора 10. Выход сканистора 10 подключен ко входу дифференциатора 11 и входу компаратора 12₁. Выход дифференциатора 11 подключен ко входу компаратора 12₂, инверсный выход которого подключен к первому входу логического элемента ИЛИ-НЕ 13, второй вход которого соединен с выходом компаратора 12₁. Выход логического элемента ИЛИ-НЕ 13 подключен к управляющему входу счетчика 16, счетный вход которого соединен с выходом элемента задержки 15, вход которого соединен с выходом ГТИ 14. Вход ГТИ 14 и управляющий вход сканистора 10 соединены со входом запуска. Выход счетчика 16 является выходом КАО 3.

Конструктивное исполнение оптической системы показано на фиг. 3. В качестве управляемого ОФМ 8₁ могут быть использованы различные магниточувствительные оптические элементы, например невзаимные элементы [Бычков С. И. и др. Лазерный гироскоп. -М.: Советское радио, 1975, -стр.207.], чувствительные к магнитному полю; оптические элементы, построенные на основе использования магнитооптических эффектов Керра, Фарадея [Гонда С., Сэко Д. Оптоэлектроника в вопросах и ответах: Пер. с япон.- Л.: Энергоатомиздат, 1989.-стр. 28. ] (показатель преломления которых изменяется в зависимости от проекции вектора магнитного поля на оси чувствительности этих элементов) и т.д. ОФМ 8₂ может быть выполнен в виде оптически прозрачной пластины постоянной толщины, осуществляющий сдвиг фазы оптического потока на π.

Устройство работает следующим образом. В начальный момент времени основание 1 выставлено в плоскость горизонта с помощью двигателей 4₁, 4₂ по сигналам, поступающим из КГ 2₁, 2₂. В КАО 3 с выхода источника когерентного излучения 7 оптический поток единичной интенсивности поступает одновременно на вход управляемого ОФМ 8₁ и вход неуправляемого ОФМ 8₂. В управляемом ОФМ 8₁ по всему кольцеобразному периметру происходит сдвиг фазы ϕ_г оптического потока, пропорциональный проекции вектора напряженности магнитного поля Земли (точнее горизонтальной составляющей H_г) на направление распространения оптического потока, в неуправляемом ОФМ 8₂ - сдвиг фазы на π во всех направлениях распространения оптического потока. В ФЛ 9 оптические потоки с выходов обоих ОФМ 8₁ и ОФМ 8₂ фокусируются на поверхность сканистора 10 (которая является его информационным входом), формируя при этом интерференционную картину с интенсивностью светового потока
I_Σ = 2+2•cosΔϕ,
где Δϕ = ϕ_г-π,
или
I_Σ = 2•(1-cosϕ_г), (1)
Так как выражение (1) справедливо для всех направлений распространения оптического потока, на поверхности сканистора 10 формируется пространственно распределенная (по его периметру) интерференционная картина, имеющая максимум интенсивности в точке пересечения плоскости магнитного меридиана и периметра сканистора 10, так как сигнал, формируемый в каждой точке сканистора 10, пропорционален интенсивности оптического потока. По сигналу со входа запуска, подаваемому на управляющий вход сканистора 10 и вход ГТИ 13, происходит опрос сканистора 10 за время T. На его выходе формируется сигнал I_СК(t) длительностью T, временное распределение амплитуды которого соответствует пространственному распределению интенсивности интерференционной картины по периметру сканистора 10.

Значение сигнала I_СК будет изменяться в зависимости от направления горизонтальной составляющей H_Г в пределах от 2•(1-cos(0)) = 0 до 2•(1-cos ϕ_гmax)). (Необходимо отметить, что в этом случае минимальное значение l_СКmin равно нулю за счет использования неуправляемого ОФМ8₂, сдвигающего фазу оптического потока на π, что облегчает техническую реализацию процедуры сравнения и выбор опорного сигнала для анализа положения магнитного меридиана. При этом уровень максимального значения сигнала I_СКmax зависит от магнитооптических свойств ОФМ 8₁).

Магнитный азимут устройства определяется по интервалу времени от 0 до момента t_Г (0 соответствует исходному направлению, связанному с корпусом 6 устройства, t_Г - направлению плоскости магнитного меридиана) путем подсчета тактовых импульсов счетчиком 16. В момент времени t_Г сигнал I_СК принимает максимальное значение - для определения данного момента в устройстве используется известное условие экстремума функции:

Однако в этом случае возникает неопределенность, так как при I_СК = 0 (что соответствует распространению оптического потока от источника когерентного излучения 7 в направлении "запад-восток") условие существования экстремума (здесь - минимума) также выполняется. Во избежание этой неопределенности в устройстве производится проверка двух условий:

Для этого в канале ориентирования со сканистора 10 сигнал I_СК поступает на компаратор 12₁, где сравнивается с нулевым (опорным) значением сигнала, и дифференциатор 11, с выхода которого сигнал, пропорциональный сигналу , поступает на компаратор 12₂, где также сравнивается с нулевым сигналом.

При этом возможны следующие сочетания входных и выходных сигналов для компараторов 12₁, 12₂:
1) на входе компаратора 12₁ нулевой сигнал, на его выходе - "1";
на входе компаратора 12₂ - "0", на его инверсном выходе - "0";
2) на входе компаратора 12₁ ненулевой сигнал, на его выходе - "0";
на входе компаратора 12₂ ненулевой сигнал, на его инверсном выходе - "1";
3) на входе компаратора 12₁ ненулевой сигнал, на его выходе - "0";
на входе компаратора 12₂ нулевой сигнал, на его инверсном выходе - "0".

В момент времени t_г, когда I_СК = I_СКmax (случай 3), с выходов компараторов 12₁, 12₂ на входы элемента ИЛИ-НЕ 13 поступают сигналы, формирующие на его выходе единичный сигнал, запирающий счетный вход счетчика 16.

До выполнения условия (2) ГТИ 14 выдает тактовые импульсы на счетный вход счетчика 16 через элемент задержки 15, обеспечивающий синхронную работу сканистора 10 и счетчика 16. При выполнении условия (2) на выходе счетчика формируется сигнал, соответствующий азимутальному положению корпуса устройства.

Изобретение относится к технике автономной ориентации и может быть использовано при определении ориентации стационарных объектов относительно Земли. Сущность изобретения состоит в том, что карданов подвес выполнен двухосным, в канал азимутального ориентирования введены источник когерентного излучения, управляемый оптический фазовый модулятор, неуправляемый оптический фазовый модулятор, фокусирующая линза, сканистор, дифференциатор, два компаратора, элемент ИЛИ-НЕ, генератор тактовых импульсов, элемент задержки, счетчик. Причем выход источника когерентного излучения оптически связан со входом управляемого оптического фазового модулятора и входом неуправляемого оптического фазового модулятора, выходы которых оптически связаны со входом фокусирующей линзы, выход которой оптически связан с информационным входом сканистора, выход которого подключен ко входу первого компаратора и входу дифференциатора, выход которого подключен ко второму компаратору, выход первого компаратора подключен к первому входу элемента ИЛИ-НЕ, второй вход которого соединен с инверсным выходом второго компаратора, выход логического элемента ИЛИ-НЕ подключен к управляющему входу счетчика, счетный вход которого соединен с выходом элемента задержки, вход которого соединен с выходом генератора тактовых импульсов, вход генератора тактовых импульсов и управляющий вход сканистора объединены со входом запуска, выход счетчика является выходом канала азимутального ориентирования, являющимся выходом устройства. Данное изобретение направлено на решение задачи повышения точности азимутального ориентирования стационарных объектов относительно направления горизонтальной составляющей вектора напряженности геомагнитного поля Земли. 3 ил.

Азимутальный магнитооптический ориентатор, содержащий вращающееся основание в кардановом подвесе, каналы горизонтирования, выходы которых подключены ко входам управления соответствующих двигателей, канал азимутального ориентирования, отличающийся тем, что карданов подвес выполнен двухосным, а канал азимутального ориентирования введены источник когерентного излучения, управляемый оптический фазовый модулятор, неуправляемый оптический фазовый модулятор, фокусирующая линза, сканистор, дифференциатор, два компаратора, элемент ИЛИ - НЕ, генератор тактовых импульсов, элемент задержки, счетчик, выход источника когерентного излучения оптически связан со входом управляемого оптического фазового модулятора и входом неуправляемого оптического фазового модулятора, выходы которых оптически связаны со входом фокусирующей линзы, выход которой оптически связан с информационным входом сканистора, выход которого подключен ко входу первого компаратора и входу дифференциатора, выход которого подключен ко второму компаратору, выход первого компаратора подключен к первому входу элемента ИЛИ - НЕ, второй вход которого соединен с инверсным выходом второго компаратора, выход логического элемента ИЛИ - НЕ подключен к управляющему входу счетчика, счетным вход которого соединен с выходом элемента задержки, вход которого соединен с выходом генератора тактовых импульсов, вход генератора тактовых импульсов и управляющий вход сканистора объединены со входом запуска, выход счетчика является выходом канала азимутального ориентирования, являющимся выходом устройства.