СПОСОБ ЦИФРОВОЙ КОМПЕНСАЦИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ДЕВИАЦИИ ДЛЯ МАГНИТНОГО ЭЛЕКТРОННОГО КОМПАСА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2003 года по МПК G01C17/38 

Изобретение относится к магнитному курсоуказанию и навигации и предназначено для использования на транспортных средствах, оснащенных системами размагничивания.

Существующие в настоящее время компенсаторы электромагнитной девиации, вызываемой системами размагничивания, выполняются в виде системы контуров с токами, обеспечивающих в объеме чувствительного элемента магнитного компаса магнитное поле, равное по модулю и противоположное по направлению по отношению к составляющим полей, создаваемых обмотками системы размагничивания [Л. Кардашинский-Брауде. Современные судовые магнитные компасы. СПб.: ЦНИИ "Электроприбор", 1999 г.].

Недостатком таких компенсаторов является высокая трудоемкость наладочных работ и сложность ее автоматизации.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и принятый за прототип, является "Способ определения девиации курсоуказателя подвижного объекта" [а. с. СССР 1822248, МПК G 01 C 17/38, 1990 г.], заключающийся в том, что после проведенных измерений включают размагничивающее устройство, в одном из курсовых положений вторично измеряют и определяют составляющие магнитного поля размагничивающего устройства, с учетом которых находят результирующие составляющие магнитного поля объекта.

К недостатку способа можно отнести то, что измерение коэффициентов электромагнитной девиации производится без учета изменения распределения токов в обмотках размагничивающего устройства, которые зависят от координат местоположения (широты) и магнитного курса подвижного объекта.

Техническим результатом изобретения является упрощение процедуры измерения электромагнитной девиации и повышение точности компенсации последней, вызываемой системой размагничивания.

Технический результат достигается тем, что по способу цифровой компенсации электромагнитной девиации для магнитного электронного компаса, заключающегося в измерении электромагнитной девиации путем сравнения магнитной девиации при выключенной системе размагничивания и после ее включения, на этапе измерения электромагнитной девиации на неподвижном судне измеряются зависимости приращения векторов индукции магнитного поля от токов, протекающих в каждой из обмоток размагничивающего устройства, причем измерения производятся с использованием трехкомпонентного векторного датчика магнитного поля компаса в штатном его положении, а в процессе компенсации электромагнитной девиации производится векторное суммирование элементарных полей от каждой из включенных обмоток согласно измеренным зависимостям, которое является приращением вектора полной магнитной индукции от размагничивающего устройства и которое учитывается в алгоритме вычисления магнитного курса.

Такой способ может быть осуществлен устройством, содержащим размагничивающее устройство, трехкомпонентный векторный датчик магнитного поля, вычислитель электромагнитной девиации и вычислитель магнитного курса, которое дополнительно снабжено датчиками тока обмоток размагничивающего устройства, блоком согласования с размагничивающим устройством и блоком управления калибровкой, причем к входам блока согласования с размагничивающим устройством подключены датчики тока обмоток размагничивающего устройства, выход блока согласования с размагничивающим устройством соединен с входом вычислителя электромагнитной девиации, оснащенного двумя портами, первый порт которого соединен с входом блока управления калибровкой, выходом соединенного с размагничивающим устройством, а второй порт вычислителя электромагнитной девиации через двунаправленную линию передачи данных соединен с первым портом вычислителя магнитного курса, второй порт которого соединен с трехкомпонентным векторным датчиком магнитного поля.

Сущность изобретения основывается на способе однозначного измерения составляющих уравнения Пуассона, описывающих напряженность магнитного поля однородно намагниченного ферромагнитного объекта в точке размещения чувствительного элемента индукционного компаса в зависимости от распределения токов в обмотках размагничивающего устройства (РУ).

Уравнения Пуассона имеют вид [1]:

где X', Y', Z' - составляющие результирующего магнитного поля объекта и Земли в связанных с объектом осях х, у, z;
X, Y, Z - составляющие магнитного поля Земли по осям х, у, z;
а, Ь, с, d, e, f, g, h, k, - коэффициенты индуктивной намагниченности объекта (параметры Пуассона);
Р, Q, R - составляющие постоянной намагниченности объекта по осям z, y, z;
Хэ, Yэ, Zэ - переменные составляющие напряженности магнитного поля от РУ;
Рэ, Qэ, Rэ - постоянные составляющие напряженности магнитного поля от РУ.

Магнитный курс, измеряемый электронным компасом с трехкомпонентным жесткозакрепленным датчиком магнитного поля, определяется функцией:
ψ = f(X,Y,Z,γ,ν) (2)
где γ - угол крена объекта;
ν - угол тангажа (дифферента).

Таким образом, для определения магнитного курса с целью фильтрации компонент X, Y, Z магнитного поля Земли (МПЗ) из результирующего вектора магнитного поля объекта (МПО) в соответствии с системой уравнений (1) необходимо решить две задачи:
1. Измерение параметров постоянной и индуктивной составляющих намагниченности объекта.

2. Измерение параметров постоянной и переменной составляющих магнитного поля от РУ.

Первую задачу обычно решают, используя в качестве модели МПО при отсутствии РУ пространственный эллипсоид.

Для решения второй задачи в предлагаемом способе компенсации электромагнитной девиации исходной посылкой является тот факт, что приращения вектора индукции магнитного поля, создаваемого токами в обмотках РУ, геометрически жестко связаны с системой координат объекта. Исходя из принципа суперпозиции полей производится векторное суммирование ΔВ_iэ элементарных полей от каждой из включенных обмоток согласно измеренным зависимостям, которое является приращением вектора магнитной индукции ΔВ_э от размагничивающего устройства и которое учитывается в алгоритме вычисления магнитного курса:
ΔB_э = ΣΔB_iэ (3)
Учитывая, что магнитная индукция есть функция от тока, протекающего в обмотке РУ, для каждой из обмоток можно представить в связанной системе координат скалярное выражение:

где I_i - ток в i-ой обмотке РУ,
и тогда выражение приращения ΔВ в скалярной форме:

Выражения (5) представляют собой постоянную и переменную составляющие электромагнитной девиации (Z_э, Y_э, Z_э, Р_э, Q_э, R_э) в уравнениях Пуассона (1), поддающиеся однозначным измерению и компенсации.

Процедура компенсации ЭМД в соответствии с предлагаемым способом состоит из двух этапов:
1. На этапе калибровки ЭМД на неподвижном объекте и при отсутствии возмущений магнитного поля в окрестности ЧЭ индукционного компаса последовательно изменяют ток в каждой из обмоток РУ в отдельности во всем его диапазоне. По показаниям трехкомпонентного векторного датчика магнитного поля компаса и измерителя тока обмотки РУ для каждой обмотки РУ строятся зависимости (4) и вычисляются их передаточные коэффициенты.

2. На этапе компенсации ЭМД (рабочий режим) путем последовательного измерения токов в обмотках РУ и вычисления в соответствии с их коэффициентами передачи векторов элементарных магнитных полей вычисляются результирующие компоненты вектора электромагнитной девиации в соответствии с уравнениями (5), использующиеся затем в алгоритме вычисления магнитного курса.

Устройство, позволяющее реализовать заявляемый способ, представлено на функциональной схеме.

Устройство, реализующее данный способ, содержит размагничивающее устройство 1 (РУ), к обмоткам J1, J2,...Jn которого подключены последовательно датчики 2 тока обмоток РУ, блок 3 согласования с размагничивающим устройством и вычислитель 4 электромагнитной девиации, первый порт которого соединен с блоком 5 управления калибровкой, выход которого соединен с размагничивающим устройством 1, а второй порт вычислителя 4 электромагнитной девиации соединен через двунаправленную линию 6 передачи данных с первым портом вычислителя 7 магнитного курса, второй порт которого соединен с трехкомпонентным векторным датчиком 8 магнитного поля.

Устройство работает следующим образом. Вычислитель 4 электромагнитной девиации является в цифровом компенсаторе ЭМД активным устройством, осуществляющим управление компенсатором на всех этапах его работы. Информацию о токах в обмотках РУ вычислитель 4 электромагнитной девиации получает с датчиков 2 тока обмоток размагничивающего устройства, выполненных, например, в виде гальванически-развязанных нормирующих усилителей, сигналы с которых преобразуются в цифровой вид в блоке 3 согласования с размагничивающим устройством. Информацию о параметрах магнитного поля вычислитель 4 электромагнитной девиации получает от вычислителя 7 магнитного курса, который может входить в состав электронного компаса.

При отсутствии в вычислителе 4 электромагнитной девиации признака проведенной калибровки ЭМД или по команде оператора вычислитель 4 электромагнитной девиации переходит в режим калибровки. В этом режиме после переключения вычислителя 7 магнитного курса в режим трансляции компонент магнитного поля вычислитель 4 электромагнитной девиации управляет через блок 5 управления калибровкой последовательно в каждой обмотке РУ током так, чтобы охватить весь диапазон изменения тока. По завершении манипуляций со всеми обмотками РУ вычислитель 4 электромагнитной девиации определяет и запоминает коэффициенты (функциональные зависимости) уравнений (4).

В рабочем режиме вычислитель 4 электромагнитной девиации циклически производит опрос датчиков 2 тока обмоток размагничивающего устройства, определяет результирующие компоненты приращений индукции в соответствии с системой уравнений (5) и передает их вычислителю 7 магнитного курса, где и производится компенсация электромагнитной девиацией в соответствии с уравнениями (1).

Изобретение относится к магнитному курсоуказанию и навигации, и предназначено для использования на транспортных средствах, оснащенных системами размагничивания. Способ заключается в измерении электромагнитной девиации путем сравнения магнитной девиации при выключенной системе размагничивания и после ее включения. На этапе измерения электромагнитной девиации на неподвижном судне измеряются зависимости приращения векторов индукции магнитного поля от токов, протекающих в каждой из обмоток размагничивающего устройства. Измерения проводятся с использованием трехкомпонентного векторного датчика магнитного поля компаса в штатном его положении. В процессе компенсации электромагнитной девиации производится векторное суммирование элементарных полей от каждой из включенных обмоток согласно измеренным зависимостям. Векторное суммирование является приращением вектора полной индукции от размагничивающего устройства и учитывается в алгоритме вычисления магнитного курса. Устройство для осуществления данного способа содержит размагничивающее устройство, трехкомпонентный векторный датчик магнитного поля, вычислитель электромагнитной девиации, вычислитель магнитного курса, датчики тока обмоток размагничивания, блок согласования с размагничивающим устройством и блок управления калибровкой. Перечисленные элементы устройства соединены друг с другом соответствующим образом. Технический результат состоит в упрощении процедуры измерения и повышении точности компенсации электромагнитной девиации. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ цифровой компенсации электромагнитной девиации для магнитного электронного компаса, заключающийся в измерении электромагнитной девиации путем сравнения магнитной девиации при выключенной системе размагничивания и после ее включения, отличающийся тем, что на этапе измерения электромагнитной девиации на неподвижном судне измеряются зависимости приращения векторов индукции магнитного поля от токов, протекающих в каждой из обмоток размагничивающего устройства, причем измерения производятся с использованием трехкомпонентного векторного датчика магнитного поля компаса в штатном его положении, а в процессе компенсации электромагнитной девиации производится векторное суммирование элементарных полей от каждой из включенных обмоток, согласно измеренным зависимостям, которое является приращением вектора полной магнитной индукции от размагничивающего устройства и которое учитывается в алгоритме вычисления магнитного курса. 2. Устройство для осуществления способа по п. 1, содержащее размагничивающее устройство, трехкомпонентный векторный датчик магнитного поля, вычислитель электромагнитной девиации и вычислитель магнитного курса, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено датчиками тока обмоток размагничивающего устройства, блоком согласования с размагничивающим устройством и блоком управления калибровкой, причем к входам блока согласования с размагничивающим устройством подключены датчики тока обмоток размагничивающего устройства, выход блока согласования с размагничивающим устройством соединен с входом вычислителя электромагнитной девиации, оснащенного двумя портами, первый порт которого соединен с входом блока управления калибровкой, выходом соединенного с размагничивающим устройством, а второй порт вычислителя электромагнитной девиации через двунаправленную линию передачи данных соединен с первым портом вычислителя магнитного курса, второй порт которого соединен с трехкомпонентным векторным датчиком магнитного поля.