СИСТЕМА КУРСОКРЕНОУКАЗАНИЯ Российский патент 2001 года по МПК G01C19/38 

Изобретение относится к области измерительной гироскопической техники и может быть использовано для систем навигации и топопривязки, стабилизации средств вооружения и обнаружения цели, решения задач целеуказания машинами управления для самоходной спецтехники.

В настоящее время на наземных самоходных объектах в качестве измерителей углов наклона и курса все более широкое применение находят системы курсокреноуказания, в том числе самоориентирующиеся, где в качестве гироскопических чувствительных элементов в курсовом блоке и в гировертикали используются высокоточные гироскопы со случайным дрейфом от 0,01 до 0,05 градусов в час.

Известны системы самоориентирующиеся гироскопические курсокреноуказания [1], [2], [3] на базе гироскопических чувствительных элементов, работающие в режиме выработки сигналов об изменении (приращении) углов курса (режим удержания заданного азимутального направления или гироазимута), крена и тангажа объекта во время его движения и стоянки, и в режиме определения азимута (режим самоориентирования или гирокомпаса) во время стоянки объекта.

В качестве прототипа принята система самоориентирующаяся гирокурсокреноуказания [3].

На фиг. 1 представлена функционально-кинематическая схема самоориентирующейся системы курсокреноуказания [3], разработанной ВНИИ "Сигнал" для систем навигации, управления и стабилизации зенитных ракетно-пушечных комплексов, бронетанковой техники и машин управления артиллерийских подразделений.

Система состоит из блока азимутального, блока горизонтального (конструктивно образуют гироблок) и блока управляющего с преобразователем угол-код 11.

Блок азимутальный представляет собой внутреннюю раму карданова подвеса, на которой установлены датчик угла курса 2, датчик стабилизирующего момента 6 и гироскопический чувствительный элемент 3, в котором две оси чувствительности (X₁-X₁ и Z₁-Z₁) образованы двумя ортогонально размещенными датчиками угла 4, 8 и датчиками момента 9, 5, при этом одна ось гироскопического чувствительного элемента совпадает с осью внутренней рамы карданова подвеса (Z₁-Z₁).

За счет работы блока азимутального вектор кинетического момента чувствительного элемента 3 блока азимутального удерживается в плоскости горизонта в фиксированном направлении относительно инерциальной системы координат (в режиме гироазимута системы курсокреноуказания и системы самоориентирующейся) или в направлении меридиана (в режиме гирокомпаса системы самоориентирующейся).

Режим гироазимута обеспечивается работой систем горизонтальной и азимутальной коррекций. Система горизонтальной коррекции работает следующим образом. Сигнал с датчика угла 8, пропорциональный углу отклонения вектора кинетического момента чувствительного элемента 3 блока азимутального от плоскости горизонта, через усилитель 10 поступает на датчик момента 9, который устраняет указанное отклонение. Система азимутальной коррекции работает следующим образом. Для устранения отклонения вектора кинетического момента чувствительного элемента 3 блока азимутального относительно оси Z₁-₁ в инерциальном пространстве сигнал с датчика угла 4, пропорциональный углу отклонения, через усилитель 1 поступает на датчик стабилизирующего момента 6, который устраняет указанное отклонение.

Режим гирокомпаса системы самоориентирующейся обеспечивается тем, что в блоке коммутации 12 в цепь горизонтальной коррекции блока азимутального подключается дополнительный ограничитель, коэффициент усиления уменьшается, появляется рассогласование - вектор кинетического момента чувствительного элемента 3 блока азимутального отклоняется от плоскости горизонта. Сигнал, пропорциональный указанному отклонению, поступает на датчик момента 5, который развивает момент, под действием которого вектор кинетического момента чувствительного элемента прецессирует в азимутальном направлении. Система азимутальной коррекции отрабатывает прецессию до устранения рассогласования. При этом направление вектора кинетического момента чувствительного элемента 3 блока азимутального совпадает с направлением на Север.

Блок горизонтальный представляет собой среднюю 23 (7) и наружную 22 рамы карданова подвеса. На средней раме 23 установлены датчик угла тангажа 14, датчик стабилизирующего момента 28, датчики наклона 20, 26 и гироскопический чувствительный элемент 17. На наружной раме 22 установлены датчик угла крена 21 и датчик стабилизирующего момента 16. У гироскопического чувствительного элемента 17 оси чувствительности (X₂-X₂ и Y₂-Y₂ образованы двумя ортогонально размещенными датчиками угла 24, 18 и датчиками момента 19, 25.

За счет работы блока горизонтального средняя рама 23 карданова подвеса стабилизируется в плоскости горизонта, а ось внутренней рамы блока азимутального удерживается по направлению вертикали места. При этом с датчиков угла курса 2, крена 21, тангажа 14 снимается информация об изменениях курсового угла (или об азимуте в режиме гирокомпаса), углов поперечного и продольного наклона объекта соответственно.

Работа блока горизонтального происходит следующим образом. При отклонении средней рамы 23 от плоскости горизонта относительно, например, оси X₂-X₂, сигнал с датчика наклона 26 через усилитель коррекции 29 поступает на вход датчика момента 25, развивающего момент, под действием которого вектор кинетического момента чувствительного элемента 17 блока горизонтального прецессирует к положению местной вертикали. При этом сигнал с датчика угла 24 через усилитель мощности 27 поступает на датчик стабилизирующего момента 28, развивающего момент, под действием которого отрабатывается прецессия и средняя рама 23 карданова подвеса разворачивается в плоскость горизонта. Аналогично происходит отработка при отклонении от плоскости горизонта относительно оси наружной рамы 22 карданова подвеса.

При движении объекта, на котором установлен курсокреноуказатель, на чувствительные элементы горизонта 20, 26 действуют линейные ускорения, возникающие при разгонах и торможениях, разворотах и качках объекта. Эти ускорения вызывают смещения элементов датчиков наклона. При этом вектор кинетического момента чувствительного элемента 17 блока горизонтального под действием коррекции отклонится от направления истинной вертикали к направлению кажущейся вертикали относительно оси X₂-X₂ и оси Y₂-Y₃ соответственно на углы β₁ и β₂, величины которых определяются соотношениями
β₁= arctg(a₂\g) ≈ a₂/g,
β₂= arctg(a₁\g) ≈ a₁/g,
где a₁ - проекция линейного ускорения на ось X₂-X₂,
а₂ - проекция линейного ускорения на ось Y₂-Y₂,
g - ускорение силы тяжести.

При этом динамическая погрешность β_д курсокреноуказателя (блока горизонтального), т.е. отклонение средней рамы 23 карданова подвеса от плоскости горизонта, определяется соотношением
β_д= ω_кt,
где ω_к - - скорость прецессии вектора кинетического момента от коррекции (скорость коррекции),
t - длительность линейного ускорения.

Применяемые в системах курсокреноуказания, в том числе самоориентирующихся, в качестве датчиков наклона датчики жидкостные маятниковые имеют смешанную характеристику с малой зоной линейности от 10 до 15 угловых минут. Поэтому отклонение вектора кинетического момента чувствительного элемента блока горизонтального от положения истинной вертикали к положению кажущейся вертикали практически всегда происходит с максимальной скоростью коррекции, настроенной исходя из реальных условий эксплуатации.

Очевидно, что для снижения динамической погрешности β_д системы горизонтирования необходимо уменьшить скорость горизонтальной коррекции ω_к. Однако снижение скорости коррекции с целью уменьшения динамической погрешности горизонтирования ограничено статической погрешностью, определяемой соотношением
β_c= ω_др/ω_к,
где ω_др - скорость ухода гироскопического чувствительного элемента, определяемая собственным уходом и уходом истиной вертикали места в пространстве под действием горизонтальной составляющей скорости вращения Земли.

Применяемые в современных системах курсокреноуказания гироскопические чувствительные элементы имеют собственный случайный дрейф от 0,01 до 0,05 градусов в час, поэтому определяющей при выборе скорости коррекции является величина ω_г горизонтальной составляющей скорости вращения Земли
ω_г= ω_з•cosΦ,
где ω_з= 15 град/час, угловая скорость вращения Земли,
Φ - значение географической широты местонахождения объекта.

На практике настройка систем ведется исходя из обеспечения оптимального соотношения динамической и статической погрешности гирогоризонта. При этом скорость коррекции составляет не менее 1 градуса в минуту.

Современные средства обнаружения цели и эффективность средств вооружения предъявляют все более возрастающие требования по точности к гироскопическим системам курсокреноуказания.

Недостатком системы курсокреноуказания, выбранной в качестве прототипа, является относительно высокая динамическая погрешность системы горизонтирования, что, как следствие, приводит к погрешностям измерения углов наклона подвижного объекта, погрешностям определения курсового угла и истинного азимута (для самоориентирующихся систем) объекта.

Изобретение направлено на повышение точности измерения углов наклона подвижного объекта, повышение точности определения курсового угла и истинного азимута объекта за счет уменьшения погрешности горизонтирования блока азимутального.

Это достигается тем, что в систему курсокреноуказания, содержащую блок азимутальный, состоящий из внутренней рамы карданова подвеса с датчиком угла курса и гироскопического чувствительного элемента, имеющего две измерительные оси, образованные двумя ортогонально размещенными датчиками угла и датчиками момента, причем одна измерительная ось гироскопического чувствительного элемента совпадает с осью внутренней рамы карданова подвеса, блок горизонтальный, состоящий из карданова подвеса с датчиками угла тангажа и крена, датчиками стабилизирующего момента, датчиками наклона, усилителей стабилизации, усилителей коррекции и гироскопического чувствительного элемента, имеющего две измерительные оси, образованные двумя ортогонально размещенными датчиками угла и датчиками момента, причем выходы датчиков наклона через усилители коррекции связаны с входами датчиков момента гироскопического чувствительного элемента блока горизонтального, а выходы датчиков угла гироскопического чувствительного элемента блока горизонтального через усилители стабилизации блока горизонтального связаны с входами датчиков стабилизирующего момента блока горизонтального, преобразователь угол-код, вход которого связан с выходом датчика угла курса, введены коммутирующие устройства, цифроаналоговый преобразователь и цифровое устройство, причем выходы датчиков наклона связаны с входами усилителей коррекции через коммутирующие устройства, один вход коммутирующих устройств связан с выходом цифроаналогового преобразователя, а другой вход коммутирующих устройств связан с выходом цифрового устройства, второй выход цифрового устройства связан с входом цифроаналогового преобразователя, а вход цифрового устройства связан с выходом преобразователя угол-код.

На фиг. 1 представлена функционально- кинематическая схема прототипа.

На фиг. 2 представлена функционально-кинематическая схема предлагаемой системы курсокреноуказания.

На фиг. 3 представлена схема разложения горизонтальной составляющей ω_г скорости вращения Земли на ось Y₂-Y₂ (условно продольную ось объекта) и ось X₂-X₂ (условно поперечную ось объекта) в зависимости от курсового угла α.
Предлагаемая система курсокреноуказания состоит из блока азимутального, блока горизонтального (конструктивно образуют гироблок) и блока управляющего с преобразователем угол-код 11, цифровым устройством 32, цифроаналоговым устройством 33 и коммутирующими устройствами 30, 31.

За счет работы блока азимутального вектор кинетического момента чувствительного элемента 3 блока азимутального удерживается в плоскости горизонта в фиксированном направлении относительно инерциальной системы координат (в режиме гироазимута системы курсокреноуказания и системы самоориентирующейся) или в направлении меридиана (в режиме гирокомпаса системы самоориентирующейся).

За счет работы блока горизонтального средняя рама 23 карданова подвеса стабилизируется в плоскости горизонта, а ось внутренней рамы блока азимутального удерживается по направлению вертикали места.

При этом с датчиков угла курса 2, крена 21, тангажа 14 снимается информация об изменениях курсового угла (или об истинном азимуте в режиме гирокомпаса в системах самоориентирующихся), углов поперечного и продольного наклона объекта соответственно.

За счет введения в систему курсокреноуказания цифрового устройства 32, цифроаналогового устройства 33 и коммутирующих устройств 30, 31 система коррекции блока горизонтального системы курсокреноуказания работает следующим образом.

Как правило, система курсокреноуказания располагается на объекте так, что продольная ось объекта, ось подвеса наружной рамы и измерительная ось Y₂-Y₂ чувствительного элемента блока горизонтального лежат в одной плоскости, а поперечная ось объекта, ось подвеса средней рамы и измерительная ось X₂-X₂ чувствительного элемента блока горизонтального лежат в другой, взаимно перпендикулярной плоскости. Угол α между плоскостью географического меридиана и проекцией продольной оси объекта на плоскость горизонта является истинным азимутом продольной оси объекта. При этом проекции горизонтальной составляющей скорости суточного вращения Земли на измерительные оси X₂-X₂ и Y₂-Y₂ гироскопического чувствительного элемента блока горизонтального составляют соответственно:
ω_x= ω_г•sinα = ω_з•cosΦ•sinα;
ω_y= ω_г•cosα = ω_з•cosΦ•cosα.
Под действием составляющих ω_x и ω_y вектор кинетического момента гироскопического чувствительного элемента 17 блока горизонтального прецессирует от направления истинной вертикали относительно осей Y₂-Y₂ и X₂-X₂ соответственно. Система горизонтальной коррекции отрабатывает прецессию и таким образом удерживает среднюю раму 23 в плоскости горизонта, а вектор кинетического момента чувствительного элемента 17 по направлению истинной вертикали. При этом коммутирующие устройства 30 и 31 по управляющим сигналам с цифрового устройства 32 передают через усилители 15 и 29 на датчики моментов 19 и 25 сигналы коррекции либо с датчиков наклона 20 и 26 (при включении системы и начальной выставке средней рамы 23 в плоскость горизонта, возможно и при стоянке объекта и отсутствии внешних возмущений на объект), либо сигналы коррекции U_1a и U_2a цифроаналогового устройства 33:
U_1a~ ω_г•sinα = ω_з•cosΦ•sinα;
U_2a~ ω_г•cosα = ω_з•cosΦ•cosα,
что позволяет практически полностью устранить динамическую погрешность при действии на объект линейных ускорений.

Цифроаналоговый преобразователь 33 преобразует цифровые сигналы U_1ц и U_2ц, поступающие с цифрового устройства, в аналоговые U_1a и U_2a.

В цифровом устройстве 32 формируются управляющие сигналы для коммутирующих устройств 30 и 31, и управляющие сигналы U_1ц и U_2ц для цифроаналогового преобразователя 33. Для формирования управляющих сигналов в цифровое устройство с преобразователя угол-код 11 поступает сигнал об изменении угла α при движении объекта и/или об истинном азимуте (для самоориентирующейся системы курсокреноуказания). Сигнал о широте места Φ вырабатывается вычислителем навигационной системы.

В качестве гироскопических чувствительных элементов как блока азимутального, так и блока горизонтального, могут быть использованы динамически настраиваемые гироскопы, например типа ГВК (гироскоп с внутренним карданом) или модуляционные гироскопы, и другие. При этом допускается использование в одной системе гироскопических чувствительных элементов различного типа, например в блоке азимутальном модуляционного гироскопа, а в блоке горизонтальном динамически настраиваемого гироскопа или наоборот. При этом на одной измерительной оси чувствительного элемента может быть более одного датчика момента, например в ГВК - основной и компенсационный датчик момента. При этом выбор конкретного датчика для осуществления связей между элементами системы зависит от конкретного чувствительного элемента и его технических характеристик.

В качестве датчиков угла курса, крена, тангажа могут быть использованы датчики любого типа, преобразующие механический угол поворота в электрический сигнал.

Преобразователи угол-код могут быть любого типа - фазовые, амплитудные и т.д., преобразующие аналоговый электрический сигнал с датчиков угла в цифровой код.

В качестве датчиков угла наклона могут быть использованы датчики различного типа, например жидкостные маятниковые переключатели, акселерометры и т.д.

Коммутирующие устройства могут быть различного типа - электромеханические (реле), электронные (на микросхемах и других радиоэлементах).

В качестве цифрового устройства могут быть использованы различные электронные устройства, способные самостоятельно вычислить значения U_1ц и U_2ц и сформировать управляющие сигналы для коммутирующих устройств и цифроаналогового устройства (с использованием микропроцессоров или без них) или электронные устройства, способные осуществлять обмен с внешним бортовым вычислителем для приема информации для формирования управляющих сигналов.

В качестве цифроаналогового преобразователя могут быть использованы различные электронные устройства, преобразующие цифровые сигналы в аналоговые.

Предложенные технические решения, по мнению авторов, позволят значительно снизить систематическую и динамическую составляющие погрешности системы горизонтирования, повысить точность определения углов наклона объекта, точность определения истинного азимута за счет повышения точности горизонтирования блока азимутального (для самоориентирующейся системы курсокреноуказания) и, как следствие, повысить точность систем стабилизации, управления и навигации.

ЛИТЕРАТУРА
1. Система самоориентирующаяся гироскопическая курсокреноуказания. Патент на изобретение РФ N2124184, приоритет от 15.12.96 г.

2. Изделие 1Т215М. Техническое описание АЮИЖ. 462414.020 ТО. ВНИИ "Сигнал", г. Ковров, 1998 г.

3. Система самоориентирующаяся гироскопическая курсокреноуказания. Технические условия АЮИЖ.462515.013 ТУ. ВНИИ "Сигнал", г. Ковров, 1996 г.

Изобретение может быть использовано при разработке и изготовлении приборов и систем для стабилизации, навигации и топопривязки объектов наземной техники. Система состоит из блока азимутального и блока горизонтального, содержащих карданов подвес, гироскопические чувствительные элементы, датчики угла, датчики момента, датчики наклона, усилители, преобразователь угол-код. Введение в систему коммутирующих устройств, цифроаналогового преобразователя и цифрового устройства позволяет значительно снизить систематическую и динамическую составляющие погрешности системы горизонтирования, повысить точность определения углов наклона объекта, точность определения истинного азимута и, как следствие, повысить точность систем стабилизации, навигации и топопривязки объектов наземной техники. 3 ил.

Система курсокреноуказания, содержащая блок азимутальный, состоящий из внутренней рамы карданова подвеса с датчиком курса и гироскопического чувствительного элемента, имеющего две измерительные оси, образованные двумя ортогонально размещенными датчиками угла и датчиками момента, причем одна измерительная ось гироскопического чувствительного элемента совпадает с осью внутренней рамы карданова подвеса, блок горизонтальный, состоящий из карданова подвеса с датчиками угла тангажа и крена, датчиками стабилизирующего момента, датчиками наклона, усилителей стабилизации, усилителей коррекции и гироскопического чувствительного элемента, имеющего две измерительные оси, образованные двумя ортогонально размещенными датчиками угла и датчиками момента, причем выходы датчиков наклона через усилители коррекции связаны с входами датчиков момента гироскопического чувствительного элемента блока горизонтального, а выходы датчиков угла гироскопического чувствительного элемента блока горизонтального через усилители стабилизации блока горизонтального связаны с входами датчиков стабилизирующего момента блока горизонтального, преобразователь угол-код, вход которого связан с выходом датчика угла курса, отличающаяся тем, что в систему курсокреноуказания введены коммутирующие устройства, цифроаналоговый преобразователь и цифровое устройство, причем выходы датчиков наклона связаны с входами усилителей коррекции через коммутирующие устройства, один вход коммутирующих устройств связан с выходом цифроаналогового преобразователя, а другой вход коммутирующих устройств связан с выходом цифрового устройства, второй выход цифрового устройства связан с входом цифроаналогового преобразователя, а вход цифрового устройства связан с выходом преобразователя угол-код.