СПОСОБ ИНЕРЦИАЛЬНОЙ НАВИГАЦИИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2008 года по МПК G01C21/16 G01P15/08 

Изобретение относится к области измерительной техники, конкретно к той ее части, которая занимается вопросами навигации подвижных объектов: самолетов, ракет, кораблей, космических аппаратов и др., путем измерения проекций ускорений при помощи линейных акселерометров и измерителей угловых скоростей с последующим преобразованием их показаний.

Широко известны способы инерциальной навигации подвижных объектов при помощи линейных акселерометров и измерителей угловых скоростей, установленных на объекте, путем измерения проекций линейного ускорения и угловой скорости в каждой точке траектории движения объекта, причем для определения составляющих вектора линейной скорости объекта значения показаний акселерометров интегрируют по времени при помощи вычислителя и часов, измеряющих ньютоново время, а для определения составляющих радиус-вектора объекта выполняют повторное интегрирование полученных результатов [1, 2]. При этом необходимо учитывать показания измерителей угловой скорости объекта и начальные значения искомых параметров.

Можно сказать, что известные способы инерциальной навигации подвижных объектов представляют собой цепочку последовательных по времени преобразований. Для определения составляющих вектора линейной скорости и составляющих радиус-вектора объекта вначале измеряют проекции ускорения при помощи акселерометров и измерителей угловой скорости, а затем интегрируют значения показаний акселерометров по времени при помощи вычислителя и часов, измеряющих ньютоново время, причем интегрируют после получения значений проекций ускорения. Полученные значения, пропорциональные составляющим вектора скорости объекта, повторно интегрируют в том же вычислителе после получения значений, пропорциональных составляющим вектора скорости объекта. Возникает запаздывание по времени появления искомых навигационных параметров - сигналов, пропорциональных составляющим вектора линейной скорости и радиус-вектора объекта. Кроме этого известным способам инерциальной навигации подвижных объектов необходимы дополнительные устройства - интеграторы и часы, измеряющие ньютоново время.

Известные способы инерциальной навигации подвижных объектов осуществляются при помощи различных устройств: акселерометров, интеграторов (вычислителей). В ряду известных акселерометров выделяются дискретные акселерометры, а среди них практический интерес вызывают электромеханические компенсационные, работающие в режиме автоколебаний [3-5]. Принцип измерения линейного ускорения при помощи такого акселерометра заключается в том, что ускорение преобразуют в отклонение подвижной системы акселерометра с последующим преобразованием отклонения в электрический сигнал и после его усиления в последовательность временных интервалов, сформированных с помощью источника стабилизированного тока и элементов нелинейного звена в виде широтно-модулированного сигнала, который преобразуют в момент импульсной обратной связи, под действием которого подвижная система совершает автоколебательное движение, смещение положения динамического равновесия которого зависит от величины и знака измеряемого ускорения, и диапазон измеряемого ускорения ограничен величиной стабилизированного тока, а широтно-модулированный сигнал преобразуют в сигнал, модулированный счетными импульсами, поступающими от генератора импульсов стабилизированной частоты f_c, с последующим определением показаний акселерометра в виде числа счетных импульсов n_1i и n_2i, соответствующих временным интервалам положительного и отрицательного импульсов широтно-модулированного сигнала, их разности Δn_i=n_1i-n_2i, суммы n_i=n_1i+n_2i=f_сT_i и отношения Δn_i/n_i=N_ai, причем величину и знак измеряемого ускорения a_i определяют с помощью показаний акселерометра и по формуле N_ai=K_aia_i, (i=1...∞), где K_ai=ml/K_дмI₀ - коэффициент преобразования акселерометра, ml - маятниковый момент подвижной системы акселерометра, K_дм и I₀ - коэффициент передачи датчика момента и ток, поступающий от стабилизированного источника. Особенностью такого акселерометра является то, что по его показаниям одновременно с измерением ускорения N_ai=Δn_i/n_i=K_aia_i можно измерить ньютоново время - время изменения измеряемого ускорения n_i=n_1i+n_2i=f_cT_i.

Для подтверждения принципа измерения и преобразования ускорения в относительный цифровой код получена математическая модель, которая для подвижной системы (ПС) акселерометра, работающего в режиме автоколебаний, характеризуется взаимодействием совокупности моментов и может быть представлена в операторной форме в виде равенства:

где J - момент инерции ПС; μ - коэффициент демпфирования ПС; с - коэффициент остаточной угловой жесткости подвеса ПС; β - угол отклонения ПС. Здесь М_вх(р)=mla_вх и М_к=К_дмI_дм - моменты, характеризующие входное и компенсирующее воздействия соответственно, где a_i - проекция линейного ускорения, которую измеряет прибор, ml - так называемый маятниковый момент ПС акселерометра, K_дм, I_дм - коэффициент передачи и ток датчика момента (ДМ), М_н(р) - момент неучтенных сил.

Для режима динамического равновесия автоколебаний ПС характерно действие среднего значения тока ДМ I_дм=I_cp=I₀(n_1i-n_2i)/(n_1i+n_2i)=I₀Δn_i/n_i за период T_i автоколебаний, в пределах которого и происходит измерение входного воздействия.

Подставляя приведенные выше соотношения в равенство (1), получим уравнение динамики для акселерометра, работающего в режиме автоколебаний при наличии ускорения и возмущений:

причем для режима динамического равновесия, опуская тем самым составляющую периодических колебаний. Как показали аналитические и экспериментальные исследования [1, 2], периодическая составляющая автоколебаний чувствительного элемента (ЧЭ) влияет на потребление электрической энергии и несет незначительную информационную нагрузку, а основным носителем измерительной информации является низкочастотная составляющая, соответствующая характеру изменения входных воздействий и состоянию динамического равновесия подвижной системы (ПС), что позволило дополнительно исключить влияние постоянной времени датчика момента (ДМ). Равенство (2) помогает получить выражение выходной характеристики N_i=Δn_i/n_i=ϕ(a_i), устанавливающей связь показаний акселерометра и ускорения, в развернутом виде:

Правая часть полученного равенства представляет собой сумму приведенных моментов, характеризующих действие линейного а_i, ускорения, моментов , соответствующих собственному движению ПС, и моментов неучтенных сил М_н(р), в том числе таких, которые связаны с изменениями условий окружающей среды. Выходная характеристика (3) примет вид:

где - коэффициент преобразования ускорения.

Полученное равенство и вышеизложенный способ измерения и преобразования ускорения, положенный в основу акселерометра, работающего в режиме автоколебаний, показывают, что известные способы измеряют линейное ускорение путем определения разности Δn_i=n_1i-n_2i, суммы n_i=n_1i+n_2i и отношения импульсов N_ai=Δn_i/n_i=ϕ(a_вх), соответствующих входному воздействию. Учитывая, что сумма импульсов n_i=n_1i+n_2i=f_c(τ_1i+τ_2i) пропорциональна длительности периода автоколебаний T_i=τ_1i+τ_2ii, по формуле (4) определяют среднее значение ускорения за период автоколебаний, причем в относительных единицах. Если перейти к абсолютным единицам в импульсах или времени, то возникает возможность измерять и определять изменения ускорения во времени, то есть составляющие вектора скорости и радиус-вектора по направлению оси чувствительности акселерометра, что показывает дополнительные функциональные возможности способа измерения ускорения, реализованного в акселерометре, работающем в режиме автоколебаний.

Целью изобретения является упрощение способа определения навигационных параметров, в том числе составляющих вектора скорости и радиус-вектора по направлению оси чувствительности акселерометра, сокращение времени подготовки навигационной информации и сокращение количества применяемых технических средств за счет расширения функциональных возможностей линейных акселерометров, работающих в режиме автоколебаний.

Указанная цель достигается тем, что в качестве акселерометров используют линейные акселерометры, работающие в режиме автоколебаний, по показаниям которых Δn_i=n_1i-n_2i, n_i=n_1i+n_2i=f_cT_i и N_ai=Δn_i/n_i, пропорциональных ускорению и периоду автоколебаний T_i, одновременно с ускорением объекта измеряют интервал времени n_i=n_1i+n_2i=f_cT_i изменения ускорения, что позволяет определить составляющие вектора скорости и радиус-вектора по направлению осей чувствительности акселерометров на этом интервале, причем для определения составляющих вектора скорости N_νi=K_νiV_i и радиус-вектора N_ri=K_rir_i значения показаний N_ai и n_i акселерометра за каждый период автоколебаний T_i перемножают: N_νi=N_ain_i, результаты для конкретного участка траектории суммируют в соответствии с формулами:

где i=1...k - любая точка траектории движения объекта, в том числе конечная и соответствующая измерению на интервале i-го периода автоколебаний;

V_i, V_k, r_i и r_k - составляющие вектора скорости и радиус-вектора в любой i-й и конечной точках траектории соответственно;

- коэффициенты преобразования по составляющим вектора скорости и радиус-вектора соответственно; K_ai и K_a - текущее и среднее значения коэффициента преобразования по ускорению соответственно; f_c - частота счетных импульсов. В предлагаемом способе по окончании каждого периода T_i=τ_1i+τ_2i измерения показаниями акселерометра являются импульсы: n_1i, n_2i, Δn_i=n_1i-n_2i и n_i=n_1i+n_2i, которые используются для определения ускорения и позволяют одновременно с ускорением определить составляющие вектора скорости Δn_i=K_aia_in_i=K_aif_cV_i и радиус-вектора направлению оси чувствительности акселерометра, при этом не требуются интеграторы, вычислитель и измеритель времени, что упрощает устройство для осуществления предлагаемого способа. Синхронизация измеряемых навигационных параметров не требует дополнительных средств и времени, осуществляется автоматически в темпе измерения ускорения, что указывает на возможности сокращения времени подготовки навигационной информации.

Известные способы измерения линейных ускорений реализуются при помощи известных устройств - акселерометров, работающих в режиме автоколебаний [2-4]. Среди указанных устройств в наибольшей степени предлагаемому соответствует акселерометр [2], принципиальная схема которого представлена на чертеже. На схеме показаны: чувствительный элемент (ЧЭ) и нелинейное звено (НЗ). В состав ЧЭ входит инерционный элемент (ИЭ) 1, датчик угла (ДУ), состоящий из подвижной системы чувствительного элемента (ПС ЧЭ) 2 и датчика перемещений подвижной системы (ДП ПС) 3, датчик момента (ДМ) 7, которые механически и электрически связаны между собой и образуют замкнутый контур управления вместе с элементами, реализующими нелинейное звено (НЗ). Подвижные части ДУ, ДМ и ИЭ называют подвижной системой (ПС) ЧЭ. В состав НЗ входят усилитель-преобразователь (УП) 4, компаратор 5 и электронный ключ (ЭК) 6, а также в состав устройства входят источник стабилизированного тока I₀ (ИСТ₀) 8 заданного диапазона, генератор счетных импульсов (ГСИ) 9 стабилизированной частоты f_c, суммирующий (ССИ) 10 и реверсивный (РСИ) 11 счетчики импульсов, инвертор 12 и умножители 13, 14, 15 блоков ускорения, перемещения и скорости соответственно.

При наличии входного воздействия в виде ускорения a_i ИЭ 1 отклоняется на угол β и на ДУ 2 и 3 возникает сигнал в виде напряжения U_ду=К_дуβ, которое после усиления в УП 4 в виде сигнала U_уп=К_упU_ду=К_дуК_упβ поступает на вход компаратора 5, выход которого связан с управляющими входами ЭК 6 и счетчиков 10 и 11 (см. чертеж). При помощи ЭК 6 источник ИСТ₀ подключается к ДМ 7. Образуется электрическая цепь импульсной обратной связи за счет формирования импульсов тока ±I_дм, поступающих на обмотку ДМ 7. Одновременно функционирует информационный канал и ГСИ 9 подключается к счетным входам ССИ 10 и РСИ 11. На выходе счетчиков выделяется сумма n_i=n_1i+n_2i=f_cT_i и разность Δn_i=n_1i-n_2i числа импульсов, пропорциональных периоду автоколебаний T_i и входному воздействию, а на выходе умножителя 13 получают информацию в виде N_ai=Δn_i/n_i. Значения параметров n_i=n_1i+n_2i=f_cT_i, Δn_i=n_1i-n_2i и N_ai=Δn_i/n_i являются показаниями акселерометра, пропорциональными входному воздействию и периоду автоколебаний T_i.

Таким образом, при наличии входного воздействия a_i за каждый период автоколебаний T_i на выходе прибора возникают показания n_i=n_1i+n_2i=f_cT_i, Δn_i=n_1i-n_2i, N_ai=Δn_i/n_i, N_νi=N_ain_i и , которые используются для определения ускорения и позволяют одновременно с ускорением определить составляющие вектора скорости и радиус-вектора по направлению оси чувствительности акселерометра.

Поставленная цель изобретения - упрощение способа определения навигационных параметров, в том числе составляющих вектора скорости и радиус-вектора по направлению оси чувствительности акселерометра, сокращение времени подготовки навигационной информации и сокращение количества применяемых технических средств за счет расширения функциональных возможностей линейных акселерометров, работающих в режиме автоколебаний - достигнута. Полученные выражения (4)-(6) показывают, что при измерении ускорения акселерометром, работающим в режиме автоколебаний, расширяются функциональные возможности способа измерения ускорения, одновременно существенно упрощается процедура определения навигационных параметров: составляющих скорости и радиус-вектора. При помощи измеренных импульсов Δn_i=(n_1i-n_2i), n_i=(n_1i+n_2i) и арифметических действий умножения и сложения удалось заменить операции интегрирования перемножением измеренных величин.

Источники информации

1. Андреев В.Д. Теория инерциальной навигации. Автономные системы. - М.: Наука, 1966, с 15-21, 54-62.

2. Ишлинский А.Ю. Механика. Идеи, задачи, приложения. - М.: Наука, 1985, с 369-375.

3. Коновалов С.Ф. и др. Гироскопические системы. 4.3. (Акселерометры, датчики угловой скорости и др.). - М.: ВШ, 1980, стр.4.

4. Скалон А.И. Обобщенный анализ характеристик прецизионных датчиков механических величин, работающих в режиме автоколебаний. // Измерительная техника. - 1990. - С.7-9.

5. Жуков В.Н., Рыбаков В.И., Хегай Д.К. Принципы построения высокочувствительных миниатюрных датчиков систем управления МКА. // Изв. вузов приборостроение. 2004, №3, с.36.

6. Кутуров А.Н., Кулешов В.В. Преобразователь ускорений с относительным цифровым кодом. // Изв. вузов приборостроение. 2003, №9, с 34-37.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к навигации подвижных объектов: самолетов, ракет, кораблей, космических аппаратов. Способ инерциальной навигации заключается в использовании линейных акселерометров, работающих в режиме автоколебаний, по показаниям которых Δn_i=n_1i-n_2i, n_i=n_1i+n_2i=f_cT_i и N_ai=Δn_i/n_i=К_aia_i, (i=1...∞), пропорциональных ускорению и периоду автоколебаний Т_i, где К_ai=ml/К_дмI₀ - коэффициент преобразования акселерометра, ml - маятниковый момент подвижной системы акселерометра, К_дм и I₀ - коэффициент передачи датчика момента и ток, поступающий от стабилизированного источника; одновременно с ускорением объекта измеряют интервал времени n_i=f_cT_i, на котором измеряют ускорение, при помощи показаний акселерометра определяют составляющие вектора скорости и радиус-вектора по направлению оси чувствительности акселерометра на этом интервале, причем для определения составляющих вектора скорости N_νi и радиус-вектора N_ri, значения показаний N_ai и n_i акселерометра за каждый период автоколебаний Т_i перемножают, а результаты для конкретного участка траектории суммируют. Технический результат - сокращение времени подготовки навигационной информации и сокращение количества применяемых технических средств за счет расширения функциональных возможностей линейных акселерометров. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ инерциальной навигации подвижного объекта при помощи линейных акселерометров и измерителей углового положения, установленных на объекте, путем измерения проекций линейного ускорения и угловой скорости в каждой точке траектории движения объекта, а для определения составляющих вектора скорости объекта значения показаний акселерометра интегрируют по времени при помощи интегратора, вычислителя и часов, измеряющих ньютоново время, а для определения составляющих радиус-вектора объекта выполняют повторное интегрирование полученных результатов, отличающийся тем, что в качестве акселерометров используют линейные акселерометры, работающие в режиме автоколебаний, по показаниям которых Δn_i=n_1i-n_2i n_i=n_1i+n_2i=f_сТ_i и N_ai=Δn_i/n_i=К_aia_i, (i=1...∞), пропорциональных ускорению и периоду автоколебаний Т_i, где К_ai=ml/К_дмI₀ - коэффициент преобразования акселерометра, ml - маятниковый момент подвижной системы акселерометра, К_дм и I₀ - коэффициент передачи датчика момента и ток, поступающий от стабилизированного источника; одновременно с ускорением объекта определяют интервал времени n_i=f_cТ_i, на котором измеряют ускорение, при помощи показаний акселерометра определяют составляющие вектора скорости и радиус-вектора объекта по направлению оси чувствительности акселерометра на этом интервале времени, причем для определения составляющих вектора скорости N_vi и радиус-вектора N_ri значения показаний N_ai и n_i акселерометра за каждый период автоколебаний Т_i перемножают N_vi=N_ain_i=K_aia_if_cT_i=K_viV_i, N_ri=N_ain_in_i==К_rir_i, где K_vi=K_aif_с, K_ri=K_aif² _c - коэффициенты преобразования по составляющим вектора скорости и радиус-вектора как производные коэффициента преобразования K_ai по ускорению, f_c - частота счетных импульсов, V_i=a_iТ_i, r_i=a_iТ² _i - составляющие вектора скорости и радиус-вектора в любой точке траектории, соответствующей каждому i-му периоду автоколебаний и измерений, а результаты для конкретного участка траектории суммируют в соответствии с формулами

, , где i=1...k - любая точка траектории движения объекта, в том числе конечная, и соответствующая измерению на интервале каждого i-го периода автоколебаний, V_i, , r_i, и - составляющие вектора скорости и радиус-вектора в любой i-й и конечной точках траектории соответственно, , - текущее и среднее значения коэффициентов преобразования по составляющим вектора скорости и радиус-вектора соответственно, К_ai и К_а - текущее и среднее значения коэффициента преобразования по ускорению соответственно.