УСТРОЙСТВО ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРАВЛЕНИЯ НА СЕВЕР Российский патент 2003 года по МПК G01C19/38 

Изобретение относится к области измерительной гироскопической техники и может быть использовано в геодезической и навигационной аппаратуре наземных транспортных средств.

По вопросам гироскопии существует обширная литература, например [1, 2, 3].

Известна система определения положения оси наземного транспортного средства относительно направления на Север [4], которая принята за прототип заявляемого устройства.

Устройство-прототип, определяющее направление на Север, состоит из блока азимутального и блока горизонтального (горизонтальной платформы). Гироскоп блока азимутального имеет горизонтальную ось собственного вращения.

При определении направления на Север в устройстве-прототипе осуществляется привод оси гироскопа блока азимутального в плоскость меридиана с помощью следящей системы, при этом изменение чувствительности датчика угла, датчика момента и усилителя приводит к погрешности измерения, что является недостатком прототипа.

Изобретение направлено на уменьшение погрешности определения направления на Север (направления меридиана).

Сущность изобретения заключается в том, что в устройство, состоящее из горизонтальной платформы и гироскопа с системой стабилизации положения ротора относительно Земли, включающей в себя два комплекта последовательно соединенных датчиков угла, усилителей и датчиков момента, при этом соответствующие датчики угла и момента установлены на ортогональных осях, введены устройство разворота гироскопа в горизонте и блок вычисления, причем в качестве гироскопа применен гироскоп с упругим подвесом ротора в горизонте, выходы усилителей соединены с соответствующими входами блока вычисления, выход которого является выходом устройства определения направления на Север.

На чертеже изображена схема заявляемого устройства.

Предлагаемое устройство определения направления на Север содержит горизонтальную платформу 1, гироскоп 2 с системой стабилизации положения ротора относительно Земли, включающей в себя два комплекта последовательно соединенных датчиков угла 3, 4, усилителей 5, 6 и датчиков момента 7, 8, при этом соответствующие датчики угла и датчики момента расположены на ортогональных осях, а для увеличения точности определения в него введены устройство разворота 9 гироскопа 2 в горизонте и блок вычисления 10, причем в качестве гироскопа применен гироскоп с упругим подвесом ротора в горизонте, выходы усилителей соединены с соответствующими входами блока вычисления, выход которого является выходом устройства определения направления на Север.

Заявленное устройство работает следующим образом.

При отсутствии движения горизонтальной платформы 1 относительно Земли включают устройство. Автоматические следящие системы в составе датчика угла 3, усилителя 5, датчика момента 7 и датчика угла 4, усилителя 6, датчика момента 8 обнаруживают уход ротора гироскопа 2 из горизонта и с помощью датчиков момента, задавая прецессии вокруг соответствующих осей, возвращают ротор в горизонт.

Вследствие вращения Земли и стремления ротора гироскопа сохранять неизменным свое положение в системе координат, связанной со звездами, ротор гироскопа будет несколько отставать от горизонта, а следящие системы будут иметь некоторое рассогласование. В стационарном состоянии скорости вращения ротора гироскопа вокруг ортогональных осей чувствительности будут равны соответствующим проекциям горизонтальной составляющей угловой скорости вращения Земли на эти оси, а на выходах усилителей 5 и 6 будут иметь место сигналы, величины которых теоретически равны:
V₇ = Δω₇+к₇(t)•ω_зг•cosα,
V₈ = Δω₈+к₈(t)•ω_зг•sinα,
где V_7,8 - сигналы на выходах усилителей 5, 6 (на входах блоков 7, 8) соответственно;
Δω_7,8 - аддитивные составляющие выходных сигналов усилителей 5, 6;
к_7,8 - усиление контуров стабилизации;
ω_зг - горизонтальная составляющая угловой скорости вращения Земли;
α - угол между направлением на Север и осью чувствительности (одной из двух ортогональных).

При регистрации сигналов на 3-х разных углах: α, α±90^o и α±180^o в одном запуске величины сигналов (для V₇) равны:
vI7

= Δω₇(t₁)+к₇(t₁)•ω_зг•cosα,


Поскольку время между измерениями невелико, то с большой точностью можно допустить:

С учетом этого из выражений для v₇ ^I и v₇ ^II получаем:

что в свою очередь позволяет получить


и

а

Аналогичные выражения получаются и для V₈, что позволяет получить второе приборное значение α, определить выходное значение угла среднеарифметическое двух значений:
Все вычисления по этому алгоритму совершает блок вычисления 10.

Перед началом практических вычислений осуществляется юстировка. Поскольку гироскоп с системой удержания его ротора в горизонте является датчиком угловой скорости вращения Земли (ДУС), то оператор разворачивает ДУС в горизонте до грубого совпадения биссектрисы между его ортогональными осями чувствительности с направлением на Север, определяемым по буссолям теодолита.

После достижения стационарного состояния оператор дает команду на запоминание сигналов v₇ ^I и v₈ ^I и разворачивает ДУС в любую сторону на 90^o и после достижения стационарного состояния дает команду на запоминание сигналов v₇ ^II и v₈ ^II.

Затем оператор разворачивает ДУС в ту же сторону еще на 90^o и после достижения стационарного состояния дает команду на запоминание сигналов v₇ ^III и v₈ ^III, которая одновременно является командой на вычисление α.

После снятия показаний устройство может быть выключено.

Анализ работы показывает, что заявленное устройство учитывает конкретные значения параметров сигналов и обеспечивает проведение измерений с большей, чем у прототипа, точностью.

При этом для реализации изобретения нет необходимости разрабатывать новые приборы, т.к. горизонтирование и юстировку ДУС можно обеспечить, разместив его на теодолите. А в качестве гироскопа может быть взят серийно выпускаемый динамически настроенный гироскоп (гироскоп с упругим подвесом) типа ГВК-6.

Проведенные испытания макета показали, что определение направления на Север с помощью заявляемого устройства производится с большей точностью, чем с помощью устройства-прототипа.

Использование: в геодезической аппаратуре и аппаратуре счисления координат наземных транспортных средств. Сущность: устройство представляет собой гироскоп с упругим подвесом ротора и вертикальной осью. Гироскоп размещен на горизонтальной платформе с обеспечением разворота ротора в горизонте для обеспечения снятия показаний с усилителей стабилизации ротора в горизонте на 3-х углах, разнесенных на ±90 и ±180^o, и с вычислением угла направления на Север по алгоритму, определяющему конкретные значения аддитивной и мультипликативной составляющей сигналов. Технический результат: уменьшение погрешности определения направления на Север. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство определения направления на Север, содержащее горизонтальную платформу, гироскоп с системой стабилизации положения ротора относительно Земли, включающей в себя два комплекта последовательно соединенных датчиков угла, усилителей и датчиков момента, при этом соответствующие датчики угла и датчики момента расположены на ортогональных осях, отличающееся тем, что в него введены устройство разворота гироскопа в горизонте и блок вычисления, выходы усилителей соединены с соответствующими входами блока вычисления, выход которого является выходом устройства определения направления на Север. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве гироскопа использован гироскоп с упругим подвесом ротора.