СПОСОБ ВЫРАБОТКИ НАВИГАЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ И ВЕРТИКАЛИ МЕСТА Российский патент 2005 года по МПК G01C21/00 

Изобретение относится к гироскопическому приборостроению и может быть использовано для обеспечения навигации морских, воздушных и наземных объектов.

Известен способ выработки навигационных параметров и вертикали места [1].

Этот способ включает измерение составляющих кажущегося ускорения при помощи акселерометров, формирование сигналов управления гироплатформой в карданном подвесе, отработку сформированных сигналов при помощи гироскопа, определение навигационных параметров и вертикали места.

Недостатком этого способа является ограниченная возможность динамических и точностных характеристик, конструктивов исполнения.

Целью изобретения является повышение точности и расширение конструктивных возможностей.

Цель достигается тем, что гироплатформой управляют сигналами, содержащими сигналы, пропорциональные составляющим кажущегося ускорения, выработанные акселерометрами, при этом управляющие сигналы гироплатформой формируют таким образом, чтобы обеспечить заданный угол наклона гироплатформы относительно плоскости горизонта в плоскости компасного меридиана, а для обеспечения непосредственного съема значения курса объекта наружную ось карданного подвеса устанавливают перпендикулярно плоскости основания, в качестве которого используют стабилизированную в плоскости горизонта платформу.

Проиллюстрируем предлагаемый способ на следующих примерах. На чертежах 1 и 2 представлена функциональная схема гироскопической навигационной системы, где приняты следующие обозначения:

1 - чувтвительный элемент (ЧЭ) - гиростабилизированная платформа в карданном подвесе, наружная ось которого направлена перпендикулярно плоскости основания;

2 - блок управления гироплатформой и выработки навигационных параметров;

3 - блок управления двигателями стабилизации;

4 - трехстепенной гироскоп;

5, 6 - датчики момента гироскопа;

7, 8 - датчики углов гироскопа;

9, 10 - акселерометры;

11, 11', 12 - двигатели стабилизации в горизонте;

13 - датчик курса объекта;

14 - стабилизированная в плоскости горизонта платформа.

Пример рис. 2 отличается от примера рис.1 наличием дополнительной степени свободы вокруг оси ON, и соответственно дополнительным двигателем стабилизации 11'.

Гироскопическая навигационная система содержит гиростабилизированную платформу 1, блок управления гироплатформой и выработки навигационных параметров 2, на гироплатформе 1 расположен трехстепенной гироскоп 4 с датчиками моментов 5, 6 и датчиками углов 7, 8, два акселерометра 9 и 10, оси, чувствительности которых ортогональны и находятся в плоскости гироплатформы 1, выходы акселерометров 9, 10 соединены с блоком управления гироплатформой и выработки выходных параметров 2, выходы которого соединены с датчиками момента гироскопа 5, 6, входы блока управления двигателями стабилизации 3 соединены с выходами датчиков углов 7, 8 гироскопа 4, выходы блока управления двигателями стабилизации 3 соединены с соответствующими двигателями стабилизации.

Гироскопическая навигационная система функционирует следующим образом: гироплатформа 1 с помощью двигателей стабилизации по сигналам рассогласования датчиков углов гироскопа 7, 8 все время удерживается в одной плоскости с кожухом гироскопа 4. Кожух гироскопа 4 вместе с гиростабилизированной платформой 1 приводится в положение, наклоненное по отношению к плоскости горизонта на заданный угол и удерживается в этом положении с помощью моментов, накладываемых через датчики момента гироскопа 5, 6 по сигналам, вырабатываемым в блоке управления гироплатформой 2. При надлежащем выборе управляющих сигналов гироплатформы, включающих сигналы, пропорциональные составляющим кажущегося ускорения, выработанные акселерометрами, угол наклона гироплатформы (значение скоростной девиации) может быть связан со значением горизонтальной составляющей абсолютной угловой скорости объекта соотношением:

где α - угол наклона гироплатформы (значение скоростной девиации);

- горизонтальная составляющая абсолютной угловой скорости объекта;

R - радиус Земли;

ω_o - частота Шулера;

n - коэффициент пропорциональности.

Значения скоростной девиации гироплатформы указывают на то, что перпендикуляр к плоскости гироплатформы всегда будет стремиться устанавливаться в плоскости компасного меридиана, направление которого определяет вектор .

Значение коэффициента η выбирается больше единицы с тем, чтобы увеличить направляющую силу гироскопа и обеспечить заданный угол наклона гироплатформы. Стабилизированная в плоскости горизонта платформа 14 служит основанием для установки чувствительного элемента (ЧЭ).

Платформа 14 может являться: а) платформой с косвенной стабилизацией, например, от инерциальной системы; б) гироплатформой инерциальной системы; в) гироплатформой в двухосном карданном подвесе, например, с трехосным гироскопом, обеспечивающем стабилизацию по двум горизонтальным осям, и акселерометрами.

Замеряя угол между плоскостью платформы ЧЭ и плоскостью горизонтальной платформы, определяют приборное значение угла α_пр и тем самым находят приборное значение горизонтальной составляющей абсолютной угловой скорости объекта

Угол α_пр может быть найден так же с использованием показаний акселерометра ЧЭ и показаний акселерометра инерциальной системы, обеспечивающий положение горизонтальной платформы.

В качестве исходной системы координат выберем сопровождающий трехгранник Дарбу ЕNξ, ориентированный осью ОМ по горизонтальной составляющей абсолютной угловой скорости . Тогда проекции абсолютной угловой скорости трехгранника ENξ на его оси будут O; , r₁. Проекции ускорения вершины трехгранника ЕNξ на его оси суть ; (r; V); g, где g - ускорение силы тяжести, r₁ - вертикальная составляющая абсолютной угловой скорости.

С гироплатформой свяжем правую систему координат Е₁ N₁ ξ₁. Ось Oξ₁ перпендикулярна плоскости гироплатформы. Систему координат Е₁ N₁ ξ₁ получим поворотом вокруг оси Oξ на угол ΔК, затем поворотом вокруг вспомогательной оси OE₁ на угол α и поворотом вокруг оси Oξ₁ на угол ΔKCosα, где ΔК - ошибка выработки курса объекта.

Для примера (фиг.2) еще и на угол β вокруг оси ON₁.

Проекции абсолютной угловой скорости трехгранника Е₁ N₁ ξ₁ на его оси OE₁ и ON₁ будут:

Проекции ускорения вершины трехгранника E₁ N₁ ξ₁ на оси OE₁ и ON₁ будут

W_E1=+(r₁VCosα+gSinα)ΔKCosα+(r₁VSinα-gCosα)β

W_N1=gSinα+r₁VCosα; Wξ₁=gCosα-r₁VSinα

Для примера (фиг.1) β=ΔKSinα

W_E1 W_N1 Wξ₁ - измеряются соответствующими акселерометрами ЧЭ.

Акселерометр, измеряющий Wξ₁ на чертеже не показан.

Для обеспечения инвариантного значения скоростной девиации, например,

Сигналы управления в системе координат E₁ N₁ ξ₁ могут иметь вид, например:

1) Для выработки сигналов управления гироплатформой ЧЭ Ω_E1упр

или

2) Для выработки сигналов управления гироплатформой ЧЭ Ω_N1упр

или

или

Составляющая ускорения по оси ON, может быть получена как:

(r₁V)_пр=W_N1Cosα_пр-Wξ₁Sinα_пр

Уравнения движения гироплатформы ЧЭ определяются следующими соотношениями:

Ω_Е1=Ω_Е1упр Ω_N1=Ω_N1упр см. (1), (2), (3).

Инерциальная система, обеспечивающая стабилизацию ЧЭ в горизонте, по горизонтальным составляющим абсолютной угловой скорости трехгранника Дарбу может определять значения компасного курса объекта Кис и значение самой горизонтальной составляющей абсолютной угловой скорости .

По показаниям акселерометров инерциальная система может определять проекцию ускорения вершины трехгранника Дарбу ENξ на его оси OE и ON

W_EnC= W_Nkc=(r₁V)_nc

Указанная информация вместе с одноименной информацией, вырабатываемой ЧЭ может быть использована как для управления ЧЭ, так и для управления инерциальной системой и ее гироплатформой. При этом, используя сигналы разности одноименной информации, обеспечивают асимптотическую устойчивость как ЧЭ, так и инерциальной системы, а также оценку их инструментальных погрешностей.

Следует отметить, что такой же эффект может быть получен и при использовании в гироплатформе ЧЭ вместо трехстепенного гироскопа двух датчиков абсолютной угловой скорости (ДУС).

В этом случае двигатели стабилизации 11, 12 для макета (фиг.1) и 11, 11' для макета (фиг.2) будут выполнять функции следящих двигателей и отрабатывать положение равновесия платформы ЧЭ, характеризуемое выражением

и направлением, когда перпендикуляр к плоскости платформы ЧЭ будет находиться в плоскости компасного меридиана.

Сигналы управления двигателями в этом случае будут

где F₁ и F₂ - передаточные функции;

Ω_E1 Ω_N1 - сигналы ДУСов см. (1);

Ω_E1упр Ω_N1упр - сигналы управления см. (2), (3);

Здесь также будут выполняться условия Ω_Е1=Ω_Еупр, Ω_N1=Ω_N1упр.

Указанный способ может быть реализован и в бесплатформенной ИНС.

Источники информации:

[1] В.А.Беленький - Патент РФ №2000544.

Использование: для обеспечения навигации объектов. Сущность: измеряют составляющие кажущегося ускорения при помощи акселерометров, формируют сигналы управления гироплатформой в двухосном карданном подвесе. Отрабатывают сформированные сигналы при помощи гироскопа или датчиков абсолютной угловой скорости. Гироплатформой управляют сигналами, содержащими сигналы, пропорциональные составляющим кажущегося ускорения, выработанные акселерометрами, при этом гироплатформу удерживают на заданном угле по отношению к плоскости горизонта. Наружная ось двухосного карданного подвеса перпендикулярна плоскости основания, в качестве которого используют стабилизированную в плоскости горизонта платформу. Техническим результатом является повышение точности, расширение динамических и конструктивных возможностей. 1 ил.

Способ выработки навигационных параметров и вертикали места, включающий измерение составляющих кажущегося ускорения при помощи акселерометров, формирование сигналов управления гироплатформой, отработку сформированных сигналов при помощи гироскопа или датчиков абсолютной угловой скорости, определение навигационных параметров и вертикали места, отличающийся тем, что гироплатформой управляют сигналами, содержащими сигналы, пропорциональные составляющим кажущегося ускорения, выработанные акселерометрами, при этом управляющие сигналы гироплатформой формируют таким образом, чтобы обеспечить заданный угол наклона α гироплатформы относительно плоскости горизонта в плоскости компасного меридиана, в соответствии с выражением

где α - угол наклона гироплатформы (значение скоростной девиации),

- горизонтальная составляющая абсолютной угловой скорости объекта,

ω_о - частота Шулера,

h - коэффициент пропорциональности,

а для обеспечения съема значения курса объекта наружную ось карданного подвеса устанавливают перпендикулярно плоскости основания, в качестве которого используют стабилизированную в плоскости горизонта платформу.