СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ОРИЕНТАЦИИ И НАВИГАЦИИ И БЕСПЛАТФОРМЕННАЯ ИНЕРЦИАЛЬНАЯ НАВИГАЦИОННАЯ СИСТЕМА ДЛЯ БЫСТРОВРАЩАЮЩИХСЯ ОБЪЕКТОВ Российский патент 2005 года по МПК G01C21/16 

Предлагаемые изобретения относятся к области приборостроения и могут быть использованы в системах ориентации, определяющих параметры движения объекта, в частности перемещения, линейной скорости, угловой скорости относительно инерциальной, географической, стартовой или других систем координат.

Системы ориентации служат для определения углового положения подвижного объекта относительно некоторой опорной системы координат. Известны два метода представления на борту подвижного объекта опорной системы координат: путем физического ее моделирования с помощью, например, гироплатформы или путем аналитического ее вычисления на основе измерений каких-либо отдельных параметров ориентации. В первом случае применяются гироскопические стабилизированные платформы, которым сообщаются три угловые степени свободы относительно корпуса объекта с помощью подвеса того или иного типа. В зависимости от типа подвижного объекта и его назначения платформа может стабилизироваться относительно инерциального пространства либо корректироваться относительно плоскости местного горизонта и в азимуте. Во втором случае реализуется бесплатформенная схема построения системы ориентации на основе датчиков, устанавливаемых непосредственно на корпусе объекта. Опорная система координат при этом создается при помощи вычислительной машины путем интегрирования и преобразования сигналов датчиков. Причем вычислительная машина моделирует в этом случае карданов подвес гироплатформы. Системы ориентации, построенные по такой схеме, называются бесплатформенными (см., например, патент РФ №2011169, МКИ G 01 С 21/00, 1990 г., патент РФ №2059205, МКИ G 01 С 21/00, 1992 г.).

При разработке быстровращающихся объектов (например, ракет, быстровращающихся снарядов, инклинометров) возникает проблема определения параметров движения объекта, требующая решения дополнительных задач. Обычно для решения таких задач применяются инерциальные навигационные системы, которые делятся на платформенные или бесплатформенные. Выбор инерциальной навигационной системы завит от динамики объекта и целого ряда эксплуатационных характеристик и точностных требований. Такие системы состоят, обычно, из трех гироскопов и трех акселерометров и содержат, при необходимости, одно-, двух- или трехстепенный карданов подвес.

Недостатком таких систем являются большие габариты, сложность прибора, слабая виброустойчивость и высокая цена.

Известен способ определения параметров ориентации и навигации подвижных объектов, включающий измерение линейных и угловых параметров, определение параметров ориентации объекта относительно опорной системы координат и определение координат объекта (патент РФ №2059205, МКИ G 01 С 21/00, 1992 г.).

Указанный способ позволяет исключить погрешность, связанную с вращением опорной системы координат.

Недостатком способа является то, что он не может обеспечить необходимую точность определения параметров быстровращающихся подвижных объектов.

Известно измерительное устройство для измерения параметров движения (Патент США №4,901,565, МКИ G 01 С 21/00, публ. 1990 г.).

Его недостаток состоит в том, что с его помощью нельзя решать навигационную задачу в условиях расширения эксплуатационных характеристик быстровращающихся подвижных объектов и ограничения возможностей измерителей параметров движения.

Техническим результатом данного изобретения является расширение диапазона и повышение точности измерений, а также снижение габаритов и себестоимости устройства, реализующего способ определения параметров ориентации и навигации быстровращающихся подвижных объектов.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе определения параметров ориентации и навигации подвижных объектов, включающем измерение линейных и угловых параметров, определение параметров ориентации объекта относительно опорной системы координат и определение координат объекта, для обеспечения этого результата в качестве измерителей угловой скорости используют акселерометры, оси чувствительности, по меньшей мере, двух из которых ориентированы в направлениях, не совпадающих с направлением оси быстрого вращения объекта и не ортогональных к этому направлению, а сами параметры ориентации и навигации быстровращающихся объектов получают с учетом обработки сигналов с указанных акселерометров с помощью решения системы дифференциальных уравнений с использованием параметров Родриго-Гамильтона или Кейли-Кейна.

Кроме того, с первой пары акселерометров могут получать сигнал, пропорциональный линейному ускорению вдоль оси быстрого вращения объекта и угловой скорости вокруг нее, со второй пары акселерометров - сигнал, пропорциональный линейному ускорению вдоль оси, проходящей через центры установочных отверстий в корпусе объекта, и угловой скорости вокруг оси быстрого вращения объекта, с пятого акселерометра - сигнал, пропорциональный угловой скорости вокруг оси, проходящей через центры установочных отверстий в корпусе объекта, и линейному ускорению вдоль оси, ортогональной оси быстрого вращения объекта и оси, проходящей через центры установочных отверстий в корпусе объекта.

Кроме того, дополнительно могут использовать гироскоп, с которого могут получать сигнал, пропорциональный угловой скорости вокруг оси, проходящей через центры установочных отверстий в корпусе объекта, который обрабатывают совместно с сигналами, получаемыми с акселерометров.

В измерительном устройстве для измерения параметров движения указанный технический результат достигается тем, что в бесплатформенной инерциальной навигационной системе, содержащей измерители параметров объекта, подключенные к вычислителю навигационных параметров, эти измерители параметров объекта выполнены в виде установленных в корпусе объекта пяти акселерометров, датчика угловой скорости и термодатчика, причем оси чувствительности первой пары акселерометров ориентированы в одной плоскости с осью быстрого вращения объекта и отклонены от нее в разных направлениях на угол 45°, оси чувствительности второй пары акселерометров ориентированы в противоположные стороны в направлении, параллельном оси, проходящей через центры установочных отверстий в корпусе объекта, ось чувствительности пятого акселерометра ориентирована в направлении, параллельном оси, ортогональной оси быстрого вращения объекта, и оси, проходящей через центры установочных отверстий в корпусе, а ось чувствительности датчика угловой скорости ориентирована вдоль оси, проходящей через центры установочных отверстий в корпусе объекта, при этом информационные выходы пяти акселерометров, датчика угловой скорости и термодатчика подключены к информационным входам микропроцессора.

Кроме того, к свободному входу микропроцессора может быть подключен детектор уровня питания.

Предлагаемые изобретения иллюстрируются чертежами.

На фиг.1 представлена кинематическая схема навигационной системы;

На фиг.2 - система координат, связанная с объектом, и стартовая система координат;

На фиг.3 показано соответствие фаз угла крена (вращения) и осей сопровождающего невращающегося трехгранника X1Y1Z1;

На фиг.4 - блок-схема бесплатформенной инерциальной навигационной системы.

Для обеспечения осуществления способа применена следующая кинематическая схема.

Введем систему координат О_свХ_свY_свZ_св, связанную с объектом:

- оси Y_св и Z_св лежат в плоскости, параллельной установочной плоскости прибора, проходящей через посадочные площадки выступов;

- ось Х_св перпендикулярна плоскости Y_свZ_св и направлена в сторону полета объекта;

- ось Y_св проходит через центры установочных отверстий,

где: А1...А5 - акселерометры, Г1 - гироскоп.

Х_свY_свZ_св - система координат, связанная с объектом;

Х_стY_стZ_ст - стартовая система координат.

Все акселерометры и гироскоп жестко связаны с корпусу прибора, который через свои установочные отверстия жестко привязан к корпусу объекта. При этом линия, проходящая через центры отверстий, определяет направления поперечных осей объекта (осей связанной системы координат объекта).

Оси чувствительности акселерометров А1 и А2 расположены в плоскости Х_свZ_св и отклонены от продольной оси Х_св на угол 45° (А1 на -45°, А2 на +45°).

Данное расположение акселерометров выбрано таким образом для того, чтобы линейные ускорения, действующие вдоль оси Х_св при проецировании на оси чувствительности акселерометров входили в их диапазон измерений. Таким образом, сигнал, измеряемый акселерометрами А1 и А2, будет содержать информацию о линейных ускорениях, действующих по оси Х_св и угловой скорости вокруг оси Х_св, вследствие высокого значения величины этой скорости.

Оси чувствительности акселерометров A3 и А4 параллельны оси Y_св и направлены в противоположные стороны (A3 в положительном направлении оси Y_св, а А4 - в отрицательном). Сигнал с акселерометров A3 и А4 будет содержать информацию о линейном ускорении ракеты в направлении оси Y_св и угловой скорости вокруг оси Х_св.

Ось чувствительности акселерометра А5 параллельна оси z_св и направлена в положительном направлении оси z_св. Сигнал с акселерометра содержит информацию об угловой скорости вокруг оси Y_св, направленной в положительном направлении оси Y_св, и линейном ускорении, действующем по оси z_св.

Ось чувствительности гироскопа Г1 направлена в положительном направлении оси Y_св сигнал с гироскопа Г1 содержит информацию об угловой скорости ракеты вокруг оси Y_св.

Таким образом, мы получили кинематическую схему, с датчиков которой поступают сигналы, содержащие информацию:

- о линейном ускорении по оси Х_св;

- о линейном ускорении по оси Y_cв;

- о линейном ускорении по оси z_св;

- об угловой скорости по оси Х_св;

- об угловой скорости по оси Y_св,

что позволяет использовать такую схему и для определения угловой скорости и в качестве датчика крена.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, представляет собой измерительный блок бесплатформенной инерциальной навигационной системы (БИНС), предназначенной для решения задач навигации и ориентации для быстровращающихся относительно определенной оси объектов (ракет, управляемых снарядов).

В состав устройства 10 входят пять акселерометров 1-5, один датчик угловой скорости 6, жестко установленные на корпусе прибора, жестко связанного с корпусом объекта через свои установочные отверстия (в поперечных направлениях относительно продольной оси объекта и являющейся осью быстрого вращения), термодатчик 7, детектор уровня питания 8 и микропроцессор 9. Сигнал с элементов 1-8 поступает на микропроцессор 9. Кинематическая схема устройства представлена на фиг.1, а структурная - на фиг.4.

Обозначим углы на фиг.2 - ψ - курс; ϑ - тангаж; γ - крен (вращение), а также U_a1, U_A2, U_а3, U_A4, U_A5 - сигналы с акселерометров А1, А2, A3, А4 и А5 соответственно.

Выходные сигналы с акселерометров A3 и А4 характеризуются системой уравнений:

где: К_а - масштабные коэффициенты акселерометров

λ - радиус точки положения измерительной массы акселерометра относительно оси вращения.

ω_x,y,zcb - проекции угловой скорости движения объекта на оси объекта.

a_x,y,zcb - проекции ускорения движения объекта на оси объекта.

При сложении уравнений получаем:

при вычитании:

где:

Выходные сигналы с акселерометров А1 и А2 характеризуются системой уравнений:

При сложении уравнений получим:

откуда:

При вычитании:

откуда определяем a_zcb:

Выходной сигнал с акселерометра А5 характеризуются уравнением:

Откуда определяется а_ZCB.

Угол γ определяется с помощью анализа модуляции ускорения свободного падения, g, присутствующей в сигнале каждого акселерометра.

Проекции угловой скорости ω_YCB и ω_ZCB равны ее проекции на ось чувствительности гироскопа в фазах угла γ:

при γ=0°→ω_YCB;

при γ=90°→ω_ZCB;

при γ=180°→-ω_YCB;

при γ=270°→-ω_zcB.

На диаграмме, представленной на фиг.3, показано соответствие фаз угла γ и осей трехгранника X₁Y₁Z₁, проекции угловой скорости на которые измеряются датчиком угловой скорости (гироскопом).

Ось чувствительности Г совпадает с осью Y₁ сопровождающего невращающегося трехгранника X₁Y₁Z₁.

Далее на основе полученных данных решается задача ориентации и навигации с помощью уравнений Родриго-Гамильтона либо Кейли-Кейна (см., например, А.Ю.Ишлинский. Ориентация, гироскопы и инерциальная навигация. “Наука”. 1976 г. стр.599-600, стр.604, 611-619).

Таким образом, предлагаемые изобретения обеспечивают достижение технического результата, заключающегося в расширении диапазона и повышении точности измерений, а также снижение габаритов и себестоимости устройства, реализующего способ определения параметров ориентации и навигации быстровращающихся подвижных объектов.

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано в системах ориентации, определяющих параметры движения объекта, в частности перемещения, линейной скорости, угловой скорости относительно инерциальной, географической, стартовой или других систем координат. Сущность изобретения: в качестве измерителей угловой скорости используют акселерометры, оси чувствительности, по меньшей мере, двух из которых ориентированы в направлениях, не совпадающих с направлением оси быстрого вращения объекта и не ортогональных к этому направлению, а сами параметры ориентации и навигации быстровращающихся объектов получают с учетом обработки сигналов с указанных акселерометров с помощью решения системы дифференциальных уравнений с использованием параметров Родриго-Гамильтона или Кейли-Кейна. Измерители параметров движения объекта выполнены в виде установленных в корпусе объекта пяти акселерометров, датчика угловой скорости и термодатчика, причем оси чувствительности первой пары акселерометров ориентированы в одной плоскости с осью быстрого вращения объекта и отклонены от нее в разных направлениях на угол 45°, оси чувствительности второй пары акселерометров ориентированы в противоположные стороны в направлении, параллельном оси, проходящей через центры установочных отверстий в корпусе объекта, ось чувствительности пятого акселерометра ориентирована в направлении, параллельном оси, ортогональной оси быстрого вращения объекта, и оси, проходящей через центры установочных отверстий в корпусе, а ось чувствительности датчика угловой скорости ориентирована вдоль оси, проходящей через центры установочных отверстий в корпусе объекта, при этом информационные выходы пяти акселерометров, датчика угловой скорости и термодатчика подключены к информационным входам микропроцессора. Техническим результатом является расширение диапазона и повышение точности измерений, а также снижение габаритов и себестоимости устройства. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ определения параметров ориентации и навигации быстровращающихся объектов, включающий измерение линейных и угловых параметров движения объекта, определение параметров ориентации объекта относительно опорной системы координат и определение координат объекта, отличающийся тем, что в качестве измерителей угловой скорости используют акселерометры, ось чувствительности каждого из которых ориентирована в направлении, не совпадающем с направлением оси быстрого вращения объекта, при этом с первой пары акселерометров получают сигнал, пропорциональный линейному ускорению вдоль оси быстрого вращения объекта и угловой скорости вокруг нее, со второй пары акселерометров получают сигнал, пропорциональный линейному ускорению вдоль оси, проходящей через центры установочных отверстий в корпусе объекта, и угловой скорости вокруг оси быстрого вращения объекта, с пятого акселерометра получают сигнал, пропорциональный угловой скорости вокруг оси, проходящей через центры установочных отверстий в корпусе объекта, и линейному ускорению вдоль оси, ортогональной оси быстрого вращения объекта, и оси, проходящей через центры установочных отверстий в корпусе объекта, а сами параметры ориентации и навигации быстровращающихся объектов получают после обработки сигналов о величинах угловых скоростей и линейных ускорений с указанных акселерометров с помощью уравнений Родриго-Гамильтона или Кейли-Кейна.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно используют гироскоп, с которого получают сигнал, пропорциональный угловой скорости вокруг оси, проходящей через центры установочных отверстий в корпусе объекта, который обрабатывают совместно с сигналами, получаемыми с акселерометров.3. Бесплатформенная инерциальная навигационная система для быстровращающихся объектов, содержащая измерители параметров объекта, подключенные к вычислителю навигационных параметров, отличающаяся тем, что измерители параметров объекта выполнены в виде установленных в корпусе объекта пяти акселерометров, датчика угловой скорости и термодатчика, причем оси чувствительности первой пары акселерометров ориентированы в одной плоскости с осью быстрого вращения объекта и отклонены от нее в разных направлениях на угол 45°, оси чувствительности второй пары акселерометров ориентированы в противоположные стороны в направлении, параллельном оси, проходящей через центры установочных отверстий в корпусе объекта, ось чувствительности пятого акселерометра ориентирована в направлении, параллельном оси, ортогональной оси быстрого вращения объекта, и оси, проходящей через центры установочных отверстий в корпусе, а ось чувствительности датчика угловой скорости ориентирована вдоль оси, проходящей через центры установочных отверстий в корпусе объекта, при этом информационные выходы пяти акселерометров, датчика угловой скорости и термодатчика подключены к информационным входам микропроцессора.4. Система по п.3, отличающаяся тем, что к свободному входу микропроцессора подключен детектор уровня питания.