АЗИМУТАЛЬНАЯ ОРИЕНТАЦИЯ ПЛАТФОРМЫ ТРЕХОСНОГО ГИРОСТАБИЛИЗАТОРА ПО ПРИРАЩЕНИЯМ УГЛА ПРЕЦЕССИИ ГИРОБЛОКА Российский патент 2014 года по МПК G01C21/18 

Известен способ азимутальной ориентации платформы трехосного гиростабилизатора по углу прецессии гироблока [1].

Этот способ заключается в том, что используют один из гироблоков системы стабилизации гиростабилизированной платформы, при этом горизонтирование платформы относительно одной из осей осуществляют путем отключения акселерометра от датчика моментов гироблока контура стабилизации по этой оси и подключения его к соответствующему двигателю стабилизации через усилитель стабилизации, а азимут платформы определяют с использованием информации с широкодиапазонного кодового датчика угла прецессии этого гироблока.

При этом алгоритм определения азимута платформы строится на основе полной динамической модели гироскопа, имеющей следующий вид:

$$I\ddot{\beta }+f\dot{\beta }=H{\omega }_{Г}\sin (A_0-\alpha -\beta )+H{\omega }_{ГБ}+{М}_{вр},\text{ (1)}$$

где I - момент инерции гироскопа;

f - коэффициент демпфирования;

Н - кинетический момент;

A₀ - начальный азимут платформы;

α - угол поворота платформы относительно Земли;

ω_Г - горизонтальная составляющая угловой скорости вращения Земли;

β - угол прецессии гироскопа;

ω_ГБ - скорость собственного ухода измерительного гироскопа;

М_вр - возмущающие воздействия, обусловленные влиянием нескомпенсированной скорости дрейфа платформы относительно вертикальной оси из-за наличия ошибок горизонтирования платформы ТГС.

Платформа ТГС «свободна в азимуте» относительно Земли по вертикали.

Полученное выражение позволяет решать задачу автономного азимутального ориентирования платформы по информации об угле прецессии гироблока без установки на платформу дополнительных измерителей.

Недостатком данного способа является сложность алгоритма определения азимута платформы ТГС во время проведения измерений. Действительно, данное дифференциальное уравнение нелинейно и не имеет аналитического решения. Определить с высокой точностью на основе данного уравнения искомый азимут в условиях действия на двухстепенной гироскоп различных внешних и внутренних возмущений: ω_ГБ, М_вр, имеющих случайную природу, весьма затруднительно.

Как следует из сути данного способа, использование широкодиапазонного датчика угла предполагает, что в начальный момент функционирования системы угол между вектором кинетического момента гироблока $$\overline{H}$$ и вектором горизонтальной составляющей угловой скорости вращения Земли ω_Г должен быть достаточно большим (в идеале близким к 90°), так как только в этом случае гироскопический момент, обусловленный горизонтальной составляющей угловой скорости Земли, будет максимальным и за время, необходимое для определения азимута, вектор кинетического момента гироблока $$\overline{H}$$ повернется на достаточно большой угол, что повышает информативность измеряемого сигнала.

На фиг.1 представлена структурная схема типового трехосного гиростабилизатора в начальный момент (β(0)=0) измерения азимута платформы, где обозначено:

Г_x, Г_y, Г_z - двухстепенные гироблоки системы стабилизации относительно соответствующих осей;

A_x, A_z - акселерометры систем горизонтирования относительно соответствующих осей;

СД_х, СД_y, СД_z - стабилизационные двигатели относительно соответствующих осей;

УС_х,УС_y,УС_z - усилители систем стабилизации относительно соответствующих осей;

КК - корректирующий контур;

$$\overline{H}$$ - векторы кинетических моментов гироскопов;

OX_пY_пZ_п - система координат, связанная с платформой;

ON - направление на север;

ВУ - вычислительное устройство;

А - азимут оси Х_П платформы ТГС в момент начала измерений.

Здесь в качестве измерительного гироблока используется гироблок Г_х.

Первый член в правой части уравнения (1) является гироскопическим моментом, и в соответствии с определением гироскопического момента

[2, с.117] начальный азимут A₀ - это угол между векторами $$\overline{H}$$ и Ω_Г, поэтому уравнение (1) можно записать в виде:

$$I\ddot{\beta }+f\dot{\beta }=H{\omega }_{Г}сos(A-\alpha -\beta )+H{\omega }_{ГБ}+{М}_{вр},\text{ (2)}$$

если за начальный азимут А принять начальный азимут оси Х_П платформы ТГС.

Целью настоящего изобретения является разработка способа, позволяющего повысить точность и сократить время определения азимута платформы ТГС в условиях действия различных возмущений.

Поставленная цель достигается тем, что одновременно со считыванием информации с широкодиапазонного кодового датчика угла измерительного гироблока рассчитываются номинальные значения данного угла в соответствии с уравнением номинального движения, а азимут платформы определяют по информационным сигналам, равным разности между номинальными значениями угла прецессии гироблока и соответствующими значениями широкодиапазонного кодового датчика угла этого гироблока.

Номинальные значения угла прецессии гироблока β_Н определяются в соответствии с нелинейным дифференциальным уравнением номинального движения:

$$I\ddot{\beta }+f{\dot{\beta }}_{Н}=H{\omega }_{Г}\cos (-{\omega }_{В}t-{\beta }_H),\text{ (3)}$$

где ω_В - вертикальная составляющая угловой скорости вращения Земли.

Данное уравнение описывает изменение угла β_Н при действии гироскопического момента, обусловленного горизонтальной составляющей угловой скорости Земли ω_Г, в предположении, что в начальный момент времени ось Х_П платформы ТГС направлена точно на север, а направление оси чувствительности измерительного гироблока совпадает с направлением оси Х_П, то есть при t=0: A=0, β=0 и α(0)=-ω_Вt=0. При этом вредные возмущения М_вр отсутствуют.

Номинальные значения угла прецессии гироблока β_Н в соответствии с (3) могут быть рассчитаны одним из численных методов, например методом Рунге-Кутта [3]. В этом случае уравнение (2) можно линеаризовать относительно уравнения (3) и использовать для определения начального азимута А оси Х_П платформы ТГС хорошо известные методы оценок параметров линейных систем в условиях действия случайных возмущений, например оптимальный фильтр Калмана [4].

После определения начального азимута А оси Х_П платформы ТГС можно определить также текущий азимут платформы:

$${А}_{П}(t)=A-{\omega }_{В}t.\text{ (4)}$$

Таким образом, предложенный способ имеет новизну.

Сравнительный анализ существенных признаков ближайшего аналога [1] и настоящего способа показывает, что азимутальная ориентация платформы трехосного гиростабилизатора по приращениям угла прецессии гироблока отличается тем, что одновременно со считыванием информации об угле прецессии измерительного гироблока рассчитывают номинальные значения данного угла в соответствии с уравнением номинального движения, а азимут платформы определяют по информационным сигналам, равным разности между номинальными значениями угла прецессии гироблока и соответствующими значениями широкодиапазонного кодового датчика угла этого гироблока.

Источники информации

1. Камкин Е.Ф., Макаров Д.В., Ржевский С.И. Патент 2324897 С1 РФ, МПК G01C 21/18 «Азимутальная ориентация платформы трехосного гиростабилизатора по углу прецессии гироблока». 2006142185/28. Заяв. 29.11.2006. Опубл. 20.05.2008. Бюл. №14.

2. Командно-измерительные приборы. Под редакцией Б.И.Назарова. М.: МО СССР, 1987.

3. Дьяконов В.П. MATLAB 7.*/R2006/R2007. Самоучитель. М.: ДМК Пресс, 2008.

4. Свешников А.А., Ривкин С.С. Вероятностные методы в прикладной теории гироскопов. М.: Наука, 1974.

Азимутальная ориентация платформы трехосного гиростабилизатора по приращениям угла прецессии гироблока относится к области приборостроения и может быть использована для определения азимута, например, в высокоточных системах различного назначения. Технический результат - повышение точности и сокращение времени определения азимута базового направления, связанного с платформой трехосного гиростабилизатора. Для достижения данных целей используется один из гироблоков системы стабилизации гиростабилизированной платформы, при этом горизонтирование платформы относительно одной из осей осуществляется путем отключения акселерометра от датчика моментов гироблока системы стабилизации по этой оси и подключения его к соответствующему двигателю стабилизации через усилитель стабилизации. Перед началом измерений одну из осей, связанных с платформой трехосного гиростабилизатора, грубо приводят по азимуту к меридиану. Одновременно со считыванием информации с широкодиапазонного кодового датчика угла гироблока рассчитываются номинальные значения данного угла в соответствии с уравнением номинального движения, а азимут оси чувствительности гироблока определяют по информационным сигналам, равным разности между номинальными значениями угла прецессии гироблока и соответствующими значениями датчика угла этого гироблока. 1 ил.

Азимутальная ориентация платформы трехосного гиростабилизатора по приращениям угла прецессии гироблока, заключающаяся в том, что используют один из гироблоков системы стабилизации гиростабилизированной платформы, при этом горизонтирование платформы относительно одной из осей осуществляют путем отключения акселерометра от датчика моментов гироблока контура стабилизации по этой оси и подключения его к соответствующему двигателю стабилизации через усилитель стабилизации, а информацию считывают с широкодиапазонного кодового датчика угла этого гироблока, отличающаяся тем, что одновременно со считыванием информации рассчитывают номинальные значения данного угла в соответствии с уравнением номинального движения, а азимут платформы определяют по информационным сигналам, равным разности между номинальными значениями угла прецессии гироблока и соответствующими значениями широкодиапазонного кодового датчика угла этого гироблока.