МАГНИТООПТИЧЕСКИЙ ОРИЕНТАТОР Российский патент 2001 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 трехосном кардановом подвесе, три двигателя, три датчика углов и каналы 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 пространственного ориентирования стационарных объектов относительно направлений горизонтальной и вертикальной составляющих 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 устройство введены источник когерентного излучения, оптический разветвитель, канал ориентирования, каждый из каналов ориентирования содержит управляемый оптический фазовый модулятор, неуправляемый оптический фазовый модулятор, оптический объединитель, дифференциатор, два компаратора, элемент ИЛИ-НЕ, ключ, выход источника излучения подключен ко входу оптического разветвителя, первое и второе оптические разветвления которого подключены ко входам канала горизонтального ориентирования, третье и четвертое оптические разветвления которого подключены ко входам первого канала вертикального ориентирования, пятое и шестое оптические разветвления которого подключены ко входам второго канала вертикального ориентирования, выходы каналов ориентирования подключены ко входам управления двигателями, в каждом канале ориентирования выходы пары оптических разветвлений оптического разветвителя подключены ко входам управляемого оптического фазового модулятора и неуправляемого оптического фазового модулятора, выходы обоих оптических фазовых модуляторов подключены ко входам оптических ответвлений оптического объединителя, выход которого подключен ко входу фотоприемника, выход которого подключен ко входу первого компаратора и входу дифференциатора, выход которого подключен ко входу второго компаратора, входы элемента ИЛИ-НЕ соединены с инверсным выходом второго компаратора и с прямым выходом первого компаратора в канале горизонтального ориентирования и первом канале вертикального ориентирования (во втором канале вертикального ориентирования - с инверсным выходом первого компаратора), выход элемента ИЛИ-НЕ подключен к управляющему входу ключа, информационный вход которого объединен со входом питания двигателя, выход ключа является выходом канала, а выходами устройства являются выходы датчиков углов, установленных по осям карданова подвеса.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1, фиг. 2, где представлены функциональные схемы магнитооптического ориентатора (МО) и канала ориентирования.

МО содержит источник когерентного излучения 1, оптический разветвитель 2, канал горизонтального ориентирования (КГО) 3₁, канал вертикального ориентирования 1 (КВО1) 3₂, канал вертикального ориентирования 2 (КВО2) 3₃, вращающееся основание 4, двигатели горизонтального канала 5₁, вертикального канала 1 - 5₂, вертикального канала 2 - 5₃, датчики углов 6₁, 6₂, 6₃, трехосный карданов подвес 7. Каналы 3₁, 3₂ и 3₃ выполнены идентично.

Вращающееся основание 4 установлено в трехосном кардановом подвесе 7, который обеспечивает возможность его пространственного вращения с помощью двигателей 5₁, 5₂, 5₃. На основании 4 размещены источник когерентного излучения 1, оптический разветвитель 2, КГО 3₁, KBО1 3₂ и КВО2 3₃. Выход источника излучения 1 подключен ко входу оптического разветвителя 2, оптические разветвления 2₁ и 2₂ которого подключены ко входам КГО 3₁, оптические разветвления 2₃ и 2₄ - ко входам KBО1 3₂, a оптические разветвления 2₅ и 2₆ - ко входам КВО2 3₃. Выходы каналов ориентирования 3₁, 3₂, 3₃ подключены ко входам управления двигателями 5₁, 5₂, 5₃ соответственно. Выходами МО являются выходы датчиков углов 6₁, 6₂, 6₃, установленных по осям карданова подвеса 7.

На фиг. 2 приведена функциональная схема канала ориентирования 3_i, i = 1, 2, 3. Канал ориентирования 3_i, i = 1, 2, 3 содержит управляемый оптический фазовый модулятор (ОФМ) 8₁, неуправляемый ОФМ 8₂, оптический объединитель 9, фотоприемник (ФП) 10, дифференциатор 11, компараторы 12₁ и 12₂, логический элемент ИЛИ-НЕ 13, ключ 14.

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 (на фиг. 1 показано расположение каналов 3₁, 3₂ и 3₃, направления осей чувствительности которых взаимоперпендикулярны и указаны стрелкой )) и т. д. ОФМ 8₂ может быть выполнен в виде оптически прозрачной пластины постоянной толщины, осуществляющей сдвиг фазы оптического потока на π.
Выход оптического разветвления 2₁ подключен ко входу управляемого ОФМ 8₁, а выход оптического разветвления 2₂ подключен ко входу неуправляемого ОФМ 8₂. Выходы ОФМ 8₁, 8₂ подключены к входам оптических ответвлений оптического объединителя 9, выход которого подключен ко входу фотоприемника 10. Выход ФП 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 (единственной отличительной особенностью канала 3₃, в сравнении с каналами 3₁ и 3₂, является соединение второго входа логического элемента ИЛИ-НЕ 13 не с прямым, а с инверсным выходом компаратора 12₁). Выход логического элемента ИЛИ-НЕ 13 подключен к управляющему входу ключа 14, на информационный вход которого подается напряжение питания двигателя 5₁; выход ключа 14 является выходом канала 3_i, i = 1, 2, 3.

Устройство работает следующим образом. Основание 4 в начальный момент времени ориентировано произвольно. Когерентный оптический поток с выхода источника излучения 1 поступает на вход оптического разветвителя 1, где разветвляется на оптические потоки с равными единичными интенсивностями, поступающие соответственно на входы каналов 3₁, 3₂ и 3₃. Работа каналов 3₁, 3₂ идентична, работа канала 3₃ отличается незначительно, поэтому сначала рассмотрим работу КГО 3₁, с последующим выделением особенности работы канала 3₃. В канале 3₁ когерентные оптические потоки поступают на входы ОФМ 8₁ и 8₂. В управляемом ОФМ 8₁ происходит сдвиг фазы Φ_г оптического потока, пропорциональный проекции вектора напряженности магнитного поля Земли (горизонтальной составляющей H_Г) на ось чувствительности данного ОФМ 8₁, в неуправляемом ОФМ 8₂ - сдвиг фазы на π. В оптическом объединителе 9 эти потоки суммируются, формируя на входе фотоприемника 10 интерференционную картину с интенсивностью светового потока
I_Σ = 2+2•cosΔΦ, (1)
где ΔΦ = Φ_г(t)-π.
Выражение (1) можно представить как
I_Σ = 2•(1-cosΦ_г(t)), (2)
где Φ_г(t) = k•cos(ωt+Φ₀),
k - коэффициент, характеризующий магнитооптические свойства ОФМ;
Φ₀- величина сдвига по фазе при произвольном начальном положении основания 4;
ω- угловая скорость поворота основания 4 в горизонтальной плоскости.

Рассмотрим выражение (2). При вращении основания 4 сдвиг по фазе оптического потока Φ_г(t)- аргумент функции косинуса, меняется в зависимости от положения основания относительно направления горизонтальной составляющей H_Г. Так как функция cos(ωt+Φ₀) на интервале [0,2π] изменяется от -1 до +1, то сдвиг по фазе оптического потока Φ_г(t) изменяется от -k до +k. Значение сигнала I_Σ при этом будет изменяться в пределах от 2•(1-cos(0))=0 до 2•(1-cos(k)). (Необходимо отметить, что в этом случае минимальное значение I_Σ равно нулю за счет использования неуправляемого ОФМ 8₂, 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_Σ зависит от выбора значения k. Целесообразен выбор значения k = π, так как в этом случае амплитуда максимального сигнала I_Σmax будет наибольшей.)
Направление плоскости магнитного меридиана определяется в процессе равномерного поворота основания 4 с угловой скоростью ω. В момент времени t_Г когда за счет разворота оси чувствительности ОФМ 8₁ произойдет совпадение ее с плоскостью магнитного меридиана, сигнал I_Σ принимает максимальное значение. Для определения данного момента времени t_Г в устройстве используется известное условие экстремума функции:

Однако, в этом случае возникает неопределенность, так как при I_Σ = 0 (ось чувствительности ориентирована в направлении "запад-восток") условие существования экстремума (здесь - минимума) также выполняется. Во избежание этой неопределенности в устройстве производится проверка двух условий:
I_Σ ≠ 0, (3)

Для этого в канале ориентирования с ФП 10 сигнал, пропорциональный I_Σ, 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".

Только в случае 3, когда направление проекции H_Г совпадает с направлением оси чувствительности управляемого ОФМ 8₁, с выходов компараторов 12₁, 12₂ на входы элемента ИЛИ-НЕ 13 поступают сигналы, формирующие на его выходе единичный сигнал, запирающий ключ 14. Так как на информационный вход ключа 14 подается сигнал питания U_пит, который далее поступает на двигатель 5_i, i = 1, 2, 3, то при формировании единичного сигнала на управляющем входе ключа 14 основание 4 прекращает движение в соответствующей плоскости.

Работа канала 3₃ осуществляется аналогично работе канала 3₁ до момента обработки сигналов в логическом элементе ИЛИ-НЕ 13 - в КВО2 3₃, так как на его входы поступают сигналы уже с инверсных выходов компараторов 12₁, 12₂. Это обусловлено особенностью работы канала 3₃, состоящей в следующем. Конечное (требуемое) положение оси чувствительности его ОФМ 8₁, когда основание 4 сориентируется так, что ось чувствительности канала 3₁ установится в направлении магнитного меридиана, а ось чувствительности канала 3₂ установится в направлении магнитной вертикали, будет соответствовать направлению "запад-восток", при этом интерференционный сигнал на входе ФП 10 становится равным нулю (I_Σ = 0). Таким образом, для канала 3₃ условие (3) преобразуется к виду
I_Σ = 0, (4)

Для анализа выполнения этого условия в канале 3₃ используется инверсный выход компаратора 12₁ и инверсный выход компаратора 12₂, которые обеспечивают требуемое сочетание сигналов (0,0) для выходов логического элемента ИЛИ-НЕ 13 лишь в случае выполнения условия (4).

С датчиков углов 6_i, i = 1, 2, 3, снимаются значения углов, соответствующих магнитному азимуту объекта и углам отклонения объекта, на котором установлено устройство, от оси магнитной вертикали.

Изобретение относится к технике автономной ориентации и может быть использовано при определении ориентации стационарных объектов относительно Земли. Сущность изобретения состоит в том, что в устройство введены источник когерентного излучения, оптический разветвитель, канал ориентирования. Каждый из каналов ориентирования содержит управляемый оптический фазовый модулятор, неуправляемый оптический фазовый модулятор, оптический объединитель, дифференциатор, два компаратора, элемент ИЛИ-НЕ, ключ. Выход источника излучения подключен ко входу оптического разветвителя, первое и второе оптические разветвления которого подключены ко входам канала горизонтального ориентирования, третье и четвертое оптические разветвления которого подключены ко входам первого канала вертикального ориентирования, пятое и шестое оптические разветвления которого подключены ко входам второго канала вертикального ориентирования. Выходы каналов ориентирования подключены ко входам управления двигателями, в каждом канале ориентирования выходы пары оптических разветвлений оптического разветвителя подключены ко входам управляемого оптического фазового модулятора и неуправляемого оптического фазового модулятора. Выходы обоих оптических фазовых модуляторов подключены ко входам оптических ответвлений оптического объединителя, выход которого подключен ко входу фотоприемника, выход которого подключен ко входу первого компаратора и входу дифференциатора, выход которого подключен ко входу второго компаратора. Входы элемента ИЛИ-НЕ соединены с инверсным выходом второго компаратора и с прямым выходом первого компаратора в канале горизонтального ориентирования и первом канале вертикального ориентирования (во втором канале вертикального ориентирования - с инверсным выходом первого компаратора), выход элемента ИЛИ-НЕ подключен к управляющему входу ключа, информационный вход которого объединен со входом питания двигателя, выход ключа является выходом канала, а выходами устройства являются выходы датчиков углов, установленных по осям карданова подвеса. Технический результат: повышение точности пространственного ориентирования стационарных объектов относительно направлений составляющих вектора напряженности геомагнитного поля Земли. 2 ил.

Магнитооптический ориентатор, содержащий вращающееся основание в трехосном кардановом подвесе, три двигателя, три датчика углов, каналы ориентирования, отличающийся тем, что в него введены источник когерентного излучения, оптический разветвитель, канал ориентирования, каждый из каналов ориентирования содержит управляемый оптический фазовый модулятор, неуправляемый оптический фазовый модулятор, оптический объединитель, дифференциатор, два компаратора, элемент ИЛИ-НЕ, ключ, выход источника излучения подключен ко входу оптического разветвителя, первое и второе оптические разветвления которого подключены ко входам канала горизонтального ориентирования, третье и четвертое оптические разветвления которого подключены ко входам первого канала вертикального ориентирования, пятое и шестое оптические разветвления которого подключены ко входам второго канала вертикального ориентирования, выходы каналов ориентирования подключены ко входам управления двигателями, в каждом канале ориентирования выходы пары оптических разветвлений оптического разветвителя подключены ко входам управляемого оптического фазового модулятора и неуправляемого оптического фазового модулятора, выходы обоих оптических фазовых модуляторов подключены ко входам оптических ответвлений оптического объединителя, выход которого подключен ко входу фотоприемника, выход которого подключен ко входу первого компаратора и входу дифференциатора, выход которого подключен ко входу второго компаратора, входы элемента ИЛИ-НЕ соединены с инверсным выходом второго компаратора и с прямым выходом первого компаратора в канале горизонтального ориентирования и первом канале вертикального ориентирования (во втором канале вертикального ориентирования - с инверсным выходом первого компаратора), выход элемента ИЛИ-НЕ подключен к управляющему входу ключа, информационный вход которого объединен со входом питания двигателя, выход ключа является выходом канала, а выходами устройства являются выходы датчиков углов, установленных по осям карданова подвеса.