СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАВИГАЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ УПРАВЛЯЕМЫХ ПОДВИЖНЫХ ОБЪЕКТОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2008 года по МПК G01C21/24 

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано при создании инерциальных систем управления в части определения навигационных параметров управляемых подвижных объектов, понимая под навигационными параметрами составляющие линейных ускорений, скоростей и координат, а также - угловых скоростей и координат управляемого подвижного объекта в базовой системе координат.

Известен способ построения инерциальных систем управления с использованием платформенных инерциальных систем, описанный в патенте RU 2241959 от 20.05.2003 г.

Известны способы построения инерциальных систем управления с использованием платформенных инерциальных систем (ПИНС) и бесплатформенных инерциальных систем (БИНС). В книге А.В.Репникова, Г.П.Сачкова, А.И.Черноморского "Гироскопические системы". М.: "Машиностроение", 1982 (Гибридные системы ориентации, стр.266-272) представлена инерциальная система управления гибридного типа, являющаяся промежуточной между БИНС и ПИНС, принятая за прототип. В подобных системах осуществляется стабилизация приборной площадки (ПП) с ее позиционированием относительно инерциального пространства.

Задачей настоящего изобретения является повышение точности определения навигационных параметров объекта при использовании гибридной инерциальной навигационной системы (ГИНС) на базе двухосного индикаторного гиростабилизатора (ГС), чувствительные элементы (ЧЭ) которого (датчики угловой скорости) используются одновременно и в системе стабилизации ПП, и в системе ориентации по схеме БИНС. При этом стабилизация ПП в ГИНС осуществляется статическими системами стабилизации (СС) без позиционирования ПП относительно инерциальной базовой системы координат.

Принципиально гибридной инерциальная навигационная система называется потому, что при построении на борту модели инерциального (абсолютного) пространства используются оба принципа "материализации" инерциальной системы координат (ИСК), то есть принцип математического построения инерциального пространства и принцип вещественного построения инерциального пространства в виде гиростабилизированной платформы (ГСП).

Приборная часть ГИНС представляет собой двухосный карданов подвес (КП) с ПП, стабилизированной относительно инерциального пространства без позиционирования, на которой расположены блок акселерометров и блок датчиков угловой скорости (ДУС), каждый из которых характеризуется тремя измерительными осями. Блок акселерометров содержит три акселерометра, а блок ДУС может быть представлен либо тремя двухстепенными ДУС, либо одним двухстепенным ДУС и одним трехстепенным ДУС, у которого две ортогональные измерительные оси. Акселерометры и ДУСы используются как чувствительные элементы двухосной системы стабилизации платформы, а также в качестве источника информации об угловой скорости движения ПП вместе с объектом управления. На фиг.1 показано примерное расположение датчиков угловой скорости в блоке ДУС, а на фиг.2 - примерное расположение акселерометров в блоке акселерометров.

Наличие третьего, лишнего для двухосного ГС ЧЭ (датчика угловой скорости), дает возможность построить ГСП с неограниченными углами вращения рам КП.

Для этого необходимо, чтобы для стабилизации наружной оси КП использовались два ЧЭ, а не один, как в традиционной схеме двухосного ГС, а в качестве токоподводов использовались токоподводы контактного типа.

При этом показания датчика угла прецессии одного гироскопа должны умножаться на синус межрамочного угла, а показания датчика угла прецессии другого гироскопа должны умножаться на косинус межрамочного угла. Тогда на датчик момента, стабилизирующий наружную ось КП, подается сигнал, пропорциональный сумме показаний датчиков угла гироскопов, умноженных на синус и косинус межрамочного угла соответственно (сигналы с датчиков угла прецессии ДУСов являются выходными сигналами блока ДУСов).

Таким образом, предметом изобретения является гибридная инерциальная навигационная система на базе двухосного индикаторного гироскопического стабилизатора с ДУС в качестве ЧЭ ГС.

Индикаторный ГС на ДУС обладает особенностью, которая позволяет использовать показания ЧЭ, установленных на ГСП, как показания ЧЭ БИНС.

Эта особенность состоит в следующем. Платформа ГС совершает дрейф не только с угловой скоростью, пропорциональной возмущающему моменту вокруг оси прецессии, но и с угловой скоростью, пропорциональной возмущающему моменту вокруг оси стабилизации. При этом управляющий разгрузкой момента возмущения вокруг оси стабилизации гироскоп (ДУС) отклоняется на угол вокруг оси прецессии, соответствующий измеренной этим ДУС угловой скорости платформы, связанной с возмущающим моментом вокруг оси стабилизации. Как правило, дрейф платформы в индикаторных ГС из-за возмущений вокруг оси стабилизации рассматривается как статическая ошибка по скорости. Бороться с этой ошибкой всегда предлагают путем использования в СС, помимо позиционной, еще и интегральной коррекции. В случае использования ЧЭ платформы в качестве ЧЭ БИНС в режиме навигации такой необходимости нет, но она появляется в режиме калибровок во время предстартовой подготовки подвижного управляемого объекта. Дрейф ПП ГИНС, вызванный возмущениями вокруг оси стабилизации, измеряется ДУС, установленными на ПП. В этом случае он не является ошибкой, поскольку представляет собой информацию, с использованием которой осуществляется формирование «математической» платформы в ГИНС по методикам, используемым в БИНС.

Дополнительная, помимо позиционной, интегральная коррекция в цепи СС позволяет фиксировать положение платформы в заданных положениях для обеспечения фиксации измерительных осей ЧЭ платформы вдоль или ортогонально вектору силы тяжести.

Неколлинеарность измерительных осей (ИО) акселерометров осям, связанных с ПП, обеспечивает возможность установки этих ИО вдоль вектора силы тяжести (как в положительном, так и в отрицательном направлении) в случае, когда ось наружной рамы КП не совпадает с плоскостью горизонта (фиг.2).

Принцип работы предлагаемой ГИНС в навигационном режиме состоит в следующем: ДУСы измеряют проекции абсолютной угловой скорости ПП на оси координат, связанные с ПП. Акселерометры измеряют проекции кажущегося ускорения на оси, связанные с ПП. Проекции абсолютной угловой скорости ПП позволяют определить текущую ориентацию ПП относительно базовой системы координат (БСК), в качестве которой используется инерциальная СК ξηζ, совпадающая в момент начала решения навигационной задачи со стартовой СК XcYcZc.

Связь между СК XYZ, связанной с ПП, и инерциальной СК ξηζ описывается матрицей, которая является решением матричного дифференциального уравнения Пуассона и представляет собой ортогональную матрицу направляющих косинусов прямоугольной СК XYZ, связанной с ПП, по отношению к осям прямоугольной инерциальной СК ξηζ.

Для интегрирования уравнений Пуассона в матрицу вводится девять начальных значений направляющих косинусов.

Матрица текущих значений проекций абсолютной угловой скорости ПП формируется по показаниям ДУС (показаниям датчиков угла оси прецессии ДУСа), стоящих на ПП.

С помощью матрицы, полученной в результате решения уравнения Пуассона, по проекциям кажущегося ускорения на оси, связанные с ПП, XYZ, находятся проекции кажущегося ускорения на оси инерциальной СК ξηζ. Путем интегрирования кажущегося ускорения с учетом ускорения сил тяжести Земли, то есть путем интегрирования навигационного уравнения при заданных начальных условиях по скорости и координатам, находятся текущие значения проекций полной скорости объекта управления и его координаты в инерциальной СК ξηζ.

Угловое положение объекта относительно инерциальной СК определяется по информации с датчиков угла, расположенных на осях КП, а также по показаниям ДУС, установленных на ПП. При этом датчики угла характеризуют положение ПП относительно объекта, а пересчитанные с помощью матрицы направляющих косинусов показания ДУС определяют положение ПП относительно инерциальной СК. Параметры угловой ориентации могут быть определены также через матрицу направляющих косинусов между связанной с объектом СК X1Y1Z1 и инерциальной СК ξηζ.

ГИНС в режиме калибровок отличается от ГИНС в навигационном режиме только наличием интегральной коррекции, помимо позиционной, в цепях СС, что позволяет фиксировать ПП в заданных положениях без статической ошибки по угловой скорости.

Задача начальной выставки ПП ГИНС решается традиционными способами. Горизонтирование ПП осуществляется по показаниям акселерометров. Определение азимута ПП осуществляется с помощью отражательного элемента, установленного на оси наружной рамы КП.

Определение систематических составляющих ошибок ЧЭ во время калибровок непосредственно перед навигационным режимом с последующей компенсацией систематических составляющих во время навигационного режима значительно повышает точностные характеристики ГИНС в сравнении с БИНС с расширенными допусками на ошибки в связи с невозможностью сохранять высокие показатели по точности в течение многих лет без калибровок.

В сравнении с трехосным ГС предлагаемая схема ГИНС на базе двухосного ГС обладает меньшими габаритами и весом, но сохраняет преимущества трехосного ГС в предстартовой подготовке и защите ЧЭ от механических воздействий со стороны движущегося основания прибора вместе с управляемым объектом. В зависимости от особенностей объекта управления (например, особенностей его кинематики) можно использовать разные схемы расположения ДУС на ПП.

Таким образом, заявленный способ определения навигационных параметров управляемого подвижного объекта (УПО) заключается в обработке с помощью вычислительного устройства (ВУ) сигналов, формируемых блоком акселерометров и блоком ДУС, установленными в двухосном кардановом подвесе на ПП, стабилизированной с помощью исполнительных элементов систем стабилизации, установленных на осях карданова подвеса и управляемых с помощью ВУ, в процессе которой определяют навигационные параметры - составляющие линейных ускорений, скоростей и координат, а также угловых скоростей и координат УПО в БСК. Отличительная особеность способа заключается в том, что стабилизацию ПП вокруг осей КП осуществляют статическими системами стабилизации (не позиционируя ПП относительно инерциальной БСК), управляя исполнительными элементами - датчиками моментов, установленными на внутренней и наружной осях КП, с помощью сигналов, формируемых ВУ из сигналов, получаемых от блока ДУС. При этом для управления датчиком момента, установленным на наружной оси КП, используют сигнал, пропорциональный сумме показаний датчиков углов (прецессии) гироскопов, умноженных на синус и косинус межрамочного угла соответственно, а именно: сигнал с первого выхода блока ДУС (I₁), соответствующего ИО, совпадающей с наружной осью КП в исходном положении ПП, изменяют пропорционально косинусу межрамочного угла (I₁·cosλ), а сигнал со второго выхода блока ДУС (I₂), соответствующего ИО, ортогональной осям КП в исходном положении ПП, изменяют пропорционально синусу межрамочного угла (I₂·sinλ), при этом межрамочный угол измеряют посредством датчика угла внутренней оси; полученные сигналы суммируют (I₁·cosλ)+(I₂·sinλ) и затем используют (суммарный сигнал) для управления датчиком момента, установленным на наружной оси. Для управления датчиком момента, установленным на внутренней оси КП, используют сигнал с третьего выхода блока ДУС, соответствующего ИО, совпадающей с внутренней осью КП. Углы, определяющие текущую ориентацию управляемого подвижного объекта относительно базовой системы координат, определяют путем суммирования текущих значений сигналов, пропорциональных углам поворота ПП относительно управляемого подвижного объекта, которые были измерены датчиками угла, установленными на внутренней и наружной осях КП, с текущими значениями сигналов, пропорциональных углам поворота ПП относительно базовой системы координат и рассчитываемых в процессе движения управляемого подвижного объекта по сигналам, формируемым блоком ДУСов; с целью повышения точностных характеристик перед включением навигационного режима осуществляют режим калибровок акселерометров и ДУСов, выполняя позиционирование измерительных осей акселерометров и ДУСов относительно местного вектора гравитационного ускорения Земли g введением астатических интегрирующих звеньев в системы стабилизации.

Системы стабилизации представляют собой системы регулирования, задачей которых является компенсация внешних для ПП моментов возмущения, действующих вокруг осей стабилизации (осей карданова подвеса ПП), в индикаторном режиме, который предполагает использование для регулирования сигналов датчиков угла прецессии ДУСов (являющихся сигналами ДУСов) электрических пружин ДУСов, в результате чего системам стабилизации свойственны статические ошибки по угловой скорости, измеряемые ДУСами и являющимися полезными сигналами при решении навигационной задачи, так как они несут в себе информацию о движении ПП в инерциальном пространстве, то есть относительно базовой системы координат. Введение астатических (интегрирующих) звеньев в электрических пружинах ДУСов позиционирует ПП относительно инерциального пространства со статической ошибкой по углу.

На фиг.1 показано примерное расположение датчиков угловой скорости в блоке ДУС.

На фиг.2 - примерное расположение акселерометров в блоке акселерометров.

На фиг.3 представлена принципиальная схема всего устройства.

Устройство для определения навигационных параметров управляемых подвижных объектов состоит из двух частей: приборной части ГИНС (8), представленной в виде двухосного индикаторного ГС на ДУС, и вычислительного устройства (7). Приборная часть ГИНС (8) содержит: блок акселерометров (4) с тремя измерительными осями (4.1, 4.2, 4.3) и блок ДУС (5) с тремя измерительными осями (5.1, 5.2, 5.3), установленные на ПП (2), изолированной от основания (корпуса объекта управления (1)) двухосным КП, датчики угла ДУ1 (3.1) и ДУ2 (3.2), установленные соответственно на внутренней и наружной осях КП, исполнительные элементы систем стабилизации - датчики момента ДМ1 (6.1) и ДМ2 (6.2), установленные соответственно на внутренней и наружной осях КП и связанные с ВУ (7) соответственно через первый и второй усилители (9.1, 9.2). Вычислительное устройство (7), установленное на корпусе объекта управления (1), содержит блок (18) формирования сигналов навигационных параметров, обеспечивающий определение навигационных параметров, предусмотренное в прототипе, и дополнительно содержит блок (17) для формирования сигнала управления датчиком момента ДМ2. Блок (17) включает в себя блок косинуса (12), блок синуса (13), первый блок умножения (14), реализующий операцию перемножения сигнала с выхода блока (12) и сигнала с первого выхода блока ДУС (5); второй блок умножения (15), реализующий операцию перемножения сигнала с выхода блока (13) и сигнала со второго выхода блока ДУС (5); блок суммирования (16), реализующий операцию суммирования сигналов с выходов первого (14) и второго (15) блоков умножения. Вычислительное устройство содержит два блока коррекции (19.1, 19.2) сигналов управления датчиками момента, которые обеспечивают устойчивость систем стабилизации и качество переходных процессов. Каждый блок коррекции включает в себя астатическое звено (в виде интегратора), используемое в режиме калибровки. Вход первого блока коррекции (19.1) связан с третьим выходом блока ДУС (5), а выход связан через усилитель (9.1) с входом ДМ1 (6.1); вход второго блока коррекции (19.2) связан с выходом блока суммирования (16), а выход через усилитель (9.2) связан с входом ДМ2 (6.2). Выходы блока акселерометров (4) и блока ДУС (5) связаны с соответствующими входами ВУ, выходы которого соединяют с входами бортовых потребителей навигационных параметров УПО (10). ВУ имеет два дополнительных входа, связанных соответственно с выходами ДУ1 и ДУ2.

Вычислительное устройство обеспечивает расчет составляющих вектора кажущейся скорости и положения УПО в БСК с помощью сигналов блока акселерометров, а также расчет углов ориентации УПО относительно БСК путем суммирования текущих значений сигналов, пропорциональных углам поворота ПП относительно УПО, которые были измерены посредством ДУ1 и ДУ2, с текущими значениями сигналов, пропорциональных углам поворота ПП относительно БСК, рассчитываемых в процессе движения УПО по сигналам, формируемым блоком ДУС.

На оси наружной рамы КП установлен отражательный элемент (11) (фиг.1, 2) для оптического прицеливания ПП в азимуте.

Гиростабилизированная платформа при обработке сигналов с блока ДУС и блока акселерометров в ВУ рассматривается как ПП БИНС. Вычислительное устройство, обрабатывая сигналы с блока ДУС, блока акселерометров, ДУ1 и ДУ2, вырабатывает сигналы для управления ПП с помощью ДМ1 и ДМ2, а также выдает бортовому потребителю информацию о навигационных параметрах УПО.

Блок ДУС может быть представлен либо тремя двухстепенными ДУС, либо одним двухстепенным ДУС и одним трехстепенным ДУС, у которого две ортогональные измерительные оси.

Таким образом, заявленное устройство для определения навигационных параметров управляемых подвижных объектов содержит блок акселерометров и блок ДУС, установленные в двухосный карданов подвес на стабилизированной ПП, исполнительные элементы систем стабилизации, установленные на осях карданова подвеса и управляемые с помощью вычислительного устройства, при этом каждый из указанных блоков характеризуется соответствующими тремя измерительными осями; выходы блока акселерометров и блока ДУСов соединены с соответствующими входами ВУ, выходы которого связаны с соответствующими входами потребителей навигационных параметров. Отличительная особенность устройства заключается в том, что на осях карданова подвеса ПП установлены датчики угла для измерения углового положения корпуса управляемого подвижного объекта относительно ПП и исполнительные элементы - датчики момента для стабилизации ПП в инерциальном пространстве; ВУ дополнительно содержит блок косинуса (формирующий сигнал, пропорциональный косинусу межрамочного угла, измеренного посредством датчика угла внутренней оси); блок синуса (формирующий сигнал, пропорциональный синусу межрамочного угла, измеренного посредством датчика угла внутренней оси); первый блок умножения, реализующий операцию перемножения сигнала с выхода блока косинуса и сигнала с первого выхода (выход, соответствующий ИО ДУСа совпадающей с наружной осью КП в исходном положении ПП) блока ДУСов; второй блок умножения, реализующий операцию перемножения сигнала с выхода блока синуса и сигнала со второго выхода (выход, соответствующий ИО ДУСа, ортогональной осям КП в исходном положении ПП) блока ДУСов; блок суммирования, реализующий операцию суммирования сигналов с выходов первого и второго блоков умножения; первый блок коррекции, вход которого связан с третьим выходом (выход, соответствующий ИО ДУСа, совпадающей с внутренней осью КП) блока ДУСов, а выход связан через первый усилитель с входом датчика момента внутренней оси; второй блок коррекции, вход которого связан с выходом блока суммирования, а выход через второй усилитель связан с входом датчика момента наружной оси; ВУ имеет два дополнительных входа, связанных соответственно с выходами датчика угла внутренней оси и датчика угла наружной оси, выход датчика угла внутренней оси связан также с входами блоков синуса и косинуса; в блоке ДУСов, формирующем сигналы для определения навигационных параметров и для стабилизации ПП, установлены либо три двухстепенных ДУСа, либо два ДУСа, один из которых двухстепенной, а другой трехстепенной, кроме того, устройство содержит астатические звенья в системах стабилизации для осуществления режима калибровок акселерометров и ДУСов.

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано при создании инерциальных систем управления для определения навигационных параметров управляемых подвижных объектов. Задачей изобретения является повышение точности определения навигационных параметров объекта при использовании гибридной инерциальной навигационной системы (ГИНС), что достигается путем создания более комфортных условий для работы чувствительных элементов (ЧЭ) ГИНС, а также возможностью калибровать ЧЭ ГИНС во время предполетной подготовки. Для решения поставленной задачи блок акселерометров и блок датчиков угловой скорости устанавливают на площадке в двухосном кардановом подвесе. Площадку стабилизируют вокруг осей карданова подвеса с помощью сигналов, формируемых датчиками угловой скорости, и датчиков момента, установленных на осях карданова подвеса. Измеряют кажущиеся ускорения площадки с помощью сигналов, формируемых акселерометрами. Измеряют абсолютную угловую скорость площадки с помощью сигналов, формируемых датчиками угловой скорости. Измеряют угловое положение корпуса объекта относительно площадки с помощью сигналов, формируемых датчиками угла, установленными на осях подвеса площадки. Обрабатывают полученные сигналы в вычислительном устройстве и вычисляют навигационные параметры объекта в базовой системе координат. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ определения навигационных параметров управляемых подвижных объектов, заключающийся в обработке с помощью вычислительного устройства (ВУ) сигналов, формируемых блоком акселерометров и блоком датчиков угловой скорости (ДУС), установленными в двухосном кардановом подвесе на приборной площадке (ПП), стабилизированной с помощью исполнительных элементов систем стабилизации, установленных на осях карданова подвеса и управляемых с помощью ВУ, в процессе которой определяют навигационные параметры, отличающийся тем, что стабилизацию ПП вокруг осей карданова подвеса осуществляют статическими системами стабилизации, управляя исполнительными элементами-датчиками моментов, установленными на внутренней и наружной осях карданова подвеса, с помощью сигналов, формируемых ВУ из сигналов, получаемых от блока ДУСов, при этом сигнал с первого выхода блока ДУС, соответствующего измерительной оси, совпадающей с наружной осью в исходном положении ПП, изменяют пропорционально косинусу межрамочного угла, сигнал со второго выхода блока ДУС, соответствующего измерительной оси, ортогональной осям карданова подвеса в исходном положении ПП, изменяют пропорционально синусу межрамочного угла, при этом межрамочный угол измеряют посредством датчика угла внутренней оси; полученные сигналы суммируют и затем используют для управления датчиком момента, установленным на наружной оси; сигнал с третьего выхода блока ДУС, соответствующего измерительной оси, совпадающей с внутренней осью, используют для управления датчиком момента, установленным на внутренней оси; углы, определяющие текущую ориентацию управляемого подвижного объекта относительно базовой системы координат, определяют путем суммирования текущих значений сигналов, пропорциональных углам поворота ПП относительно управляемого подвижного объекта, которые были измерены датчиками угла внутренней и наружной осей, с текущими значениями сигналов, пропорциональных углам поворота ПП относительно базовой системы координат и рассчитываемых в процессе движения управляемого подвижного объекта по сигналам, формируемым блоком ДУСов; с целью повышения точностных характеристик перед включением навигационного режима осуществляют режим калибровок акселерометров и ДУСов, выполняя позиционирование измерительных осей акселерометров и ДУСов относительно местного вектора гравитационного ускорения Земли введением астатических звеньев в системы стабилизации.2. Устройство для определения навигационных параметров управляемых подвижных объектов, содержащее блок акселерометров и блок датчиков угловой скорости (ДУС), установленные в двухосный карданов подвес на стабилизированной приборной площадке исполнительные элементы систем стабилизации, установленные на осях карданова подвеса и управляемые с помощью вычислительного устройства (ВУ), при этом каждый из указанных блоков характеризуется соответствующими тремя измерительными осями; выходы блока акселерометров и блока ДУСов соединены с соответствующими входами ВУ, выходы которого связаны с соответствующими входами потребителей навигационных параметров, отличающееся тем, что на внутренней и наружной осях карданова подвеса ПП установлены датчики угла для измерения углового положения корпуса управляемого подвижного объекта относительно ПП и исполнительные элементы-датчики момента для статической стабилизации ПП в инерциальном пространстве; ВУ дополнительно содержит блок косинуса, блок синуса, первый блок умножения, реализующий операцию перемножения сигнала с выхода блока косинуса и сигнала с первого выхода блока ДУСов; второй блок умножения, реализующий операцию перемножения сигнала с выхода блока синуса и сигнала со второго выхода блока ДУСов; блок суммирования, реализующий операцию суммирования сигналов с выходов первого и второго блоков умножения; первый блок коррекции, вход которого связан с третьим выходом блока ДУСов, а выход связан через первый усилитель с входом датчика момента внутренней оси, второй блок коррекции, вход которого связан с выходом блока суммирования, а выход через второй усилитель связан с входом датчика момента наружной оси; ВУ имеет два дополнительных входа, связанных соответственно с выходами датчиков углов; выход датчика угла внутренней оси связан также с входами блоков синуса и косинуса; в блоке ДУСов, формирующем сигналы для определения навигационных параметров и для стабилизации ПП, установлены либо три двухстепенных ДУСа, либо два ДУСа, один из которых двухстепенной, а другой трехстепенной, кроме того, устройство содержит астатические звенья в системах стабилизации для осуществления режима калибровок акселерометров и ДУСов.