СПОСОБ АВТОНОМНОЙ АЗИМУТАЛЬНОЙ ОРИЕНТАЦИИ ПЛАТФОРМЫ ТРЕХОСНОГО ГИРОСТАБИЛИЗАТОРА НА ПОДВИЖНОМ ОСНОВАНИИ Российский патент 2015 года по МПК G01C21/18 

Изобретение относится к области гироскопических систем и может быть использовано для определения азимута в навигационных системах различного назначения.

Известен способ автономного азимутального ориентирования платформы, основанный на применении в составе трехосного гиростабилизатора гироскопического датчика угловой скорости (ДУС) [1].

С этой целью обычно используются двухстепенные гироскопы с обратной связью по углу поворота гирокамеры относительно корпуса гироблока. Платформа предварительно горизонтируется, а при измерениях ей обеспечивается неподвижность относительно Земли. В исходном положении выходная ось x гироскопа направляется вертикально и совпадает с осью Yп платформы, а входная ось у (ось чувствительности гироскопа) - параллельно оси Zп подвеса платформы. Ось Хп платформы находится под углом A плоскости меридиана.

В результате вращения гироскопа вместе с Землей относительно оси Y с угловой скоростью ω_y появляется гироскопический момент Мг=Hω_y (H - кинетический момент гироскопа) относительно выходной оси х гироскопа, приводящий к повороту его главной оси z на угол β. По сигналам с датчика угла поворота в датчике моментов гироскопа формируется момент Моc обратной связи, противоположно направленный гироскопическому моменту Мг. В установившемся состоянии суммарный момент относительно оси x равен нулю

где i_oc - ток обратной связи в управляющей обмотке датчика моментов;

Кдм - коэффициент передачи датчика моментов;

Мвх - возмущающий момент относительно выходной оси х гироскопа.

При малых углах отклонения платформы и гироскопа от исходных положений выражение для ω_y имеет вид

где ω_г, ω_в - горизонтальная и вертикальная составляющие угловой скорости вращения Земли;

α_з - угол отклонения платформы относительно оси Хп.

Из выражений (1) и (2) можно найти

где β* - угол отклонения гироскопа от исходного положения;

ϕ - широта места установки ТГС: $$tg\phi \frac{{\omega }_B}{{\omega }_{Г}}$$ ;

$${\omega }_{ДР}=\frac{{М}_{ВХ}}{H}$$ - угловая скорость собственного дрейфа гироскопа.

При отсутствии возмущений азимут платформы определяется формулой

Для учета влияния возмущающих факторов используют информацию о токах i_ОС в различных положениях платформы (осей ДУС), отличающихся друг от друга на известные углы.

Основными недостатками способа являются:

- необходимость обеспечения неподвижности платформы относительно Земли при измерениях, что исключает возможность применения в условиях азимутальных смещений основания ТГС;

- необходимость установки платформы в нескольких фиксированных относительно Земли положениях, что усложняет измерительную систему и увеличивает время определения азимута.

Известен также способ азимутальной ориентации гиростабилизированной платформы ТГС по углу поворота гироскопа штатного гироблока системы угловой стабилизации платформы, используемого в компасном режиме [2]. Гироблок системы стабилизации и горизонтирования относительно одной из горизонтальных осей отключается от системы стабилизации, а горизонтирование и стабилизация платформы осуществляется по сигналам с соответствующего акселерометра, который отключается от датчика моментов гироскопа и подключается через усилитель к двигателю стабилизации. Относительно вертикальной оси платформа стабилизируется в инерциальном пространстве. Под действием гироскопического момента Мг=Hω_г, вызванного горизонтальной составляющей угловой скорости вращения Земли, гироскоп поворачивается в сторону меридиана. Сигналы с датчика угла β поворота гироскопа непрерывно измеряются и используются для определения начального (Ao) и текущего (A(t)) положения платформы в азимуте. Алгоритмы определения азимута платформы строятся на основе динамической модели движения гироскопа и платформы и применения методов фильтрации выходных сигналов.

Преимуществом этого способа является возможность азимутального ориентирования платформы при азимутальных смещениях основания ТГС, обеспечиваемая кинематической развязкой платформы от основания и ее стабилизацией относительно вертикальной оси. Недостатком является необходимость использования широкодиапазонного датчика угла поворота гироскопа, что усложняет конструкцию гироблока и измерительной системы.

В качестве прототипа был принят данный способ, основанный на использовании штатного двухстепенного гироскопа для определения азимута платформы без связи с Землей.

Для устранения указанных недостатков предлагается вместо компасного режима работы гироскопа использовать режим ДУСа.

Целью настоящего изобретения является возможность определения азимутального положения гиростабилизированной платформы в условиях азимутальных смещений основания, сокращение времени, повышение точности и упрощение конструкции гироблока и измерительной системы автономного азимутального ориентирования платформы ТГС.

Начальное положение платформы ТГС по азимуту может быть произвольным, удержание ее в азимуте и в горизонте осуществляться грубыми системами приведения. В требуемое исходное положение по азимуту, в котором необходимо знать точную азимутальную ориентацию, платформа приводится и удерживается грубой системой, например с помощью системы азимутального наведения [1, с.246].

Для точного определения азимутальной ориентации платформы трехосного гиростабилизатора на подвижном основании систему удержания отключают, выбранный гироблок стабилизации платформы относительно горизонтальной оси отключают от системы стабилизации и горизонтирования и переводят в режим ДУСа, а стабилизацию и горизонтирование платформы относительно этой оси осуществляют по сигналам с соответствующего акселерометра путем отключения его от датчика моментов гироскопа и подключения через усилитель к двигателю стабилизации. Азимут платформы определяют путем обработки информации о токах обратной связи в датчике моментов гироскопа датчика угловой скорости и углах поворота гироскопа.

Отключение грубой системы удержания платформы по азимуту приводит к реализации инерциального режима работы ТГС относительно вертикальной оси. В этом режиме платформа вместе с ДУС изменяют свое положение по азимуту относительно Земли («видимый уход»), соответственно изменяются значения проекции угловой скорости ω_y на ось чувствительности ДУСа и тока обратной связи i_ОС. Азимут A, входящий в выражение (2), теперь можно представить в виде

где Ao - азимут платформы в момент начала измерений;

α(t) - угол поворота платформы относительно Земли, причем

ω_аз - угловая скорость дрейфа азимутального гироскопа.

Выражение (3) для тока обратной связи можно записать в виде

где t_K, (K=1, 2, …, N) - моменты времени съема информации о токах обратной связи и угле поворота гироскопа.

В формуле (7) не учтен член α_зtgφ, зависящий от ω_B, поскольку в инерциальном режиме по азимуту платформа стабилизирована относительно вертикальной оси.

Наличие избыточной информации (N>>1) о токах обратной связи позволяет использовать известные методы фильтрации сигналов для оценивания начального (Ao) и текущего (A(t)) азимута платформы, а также точностных параметров измерительной системы.

Точность определения азимута может быть повышена за счет увеличения объема избыточной информации. С этой целью можно увеличить угловую скорость вращения платформы относительно Земли путем подачи расчетного постоянного момента Мо в датчик моментов азимутального гироскопа. Тогда ток обратной связи будет определяться выражением

где $${\omega }_0=\frac{M_0}{H}$$ - расчетная угловая скорость вращения платформы относительно вертикальной оси, вызванного моментом Мо;

ω_yx=ω_B+ω₀ - угловая скорость «видимого ухода» платформы.

В предложенном способе не накладываются ограничения на величину угла β по сравнению со способом ДУС, поскольку он может быть измерен и учтен в алгоритмах определения азимута. В то же время угол β может быть существенно уменьшен по сравнению со способом, использующим двухстепенный гироскоп в режиме гирокомпаса.

Основными преимуществами предлагаемого способа являются:

- возможность определения азимута гиростабилизированной платформы в условиях азимутальных смещений основания ТГС;

- повышение точности определения азимута за счет увеличения избыточной информации о выходных сигналах и исключения ошибки из-за невертикальности выходной оси гироскопа;

- сокращение времени определения азимута за счет непрерывности процесса измерений и увеличения скорости вращения платформы относительно Земли;

- упрощение конструкции системы.

Сравнительный анализ существенных признаков рассмотренных и предлагаемых способов азимутальной ориентации платформы ТГС показывает, что предлагаемый способ отличается тем, что определение азимута платформы с помощью ДУС осуществляют без связи платформы с Землей, платформа грубо приводится в требуемое исходное положение по азимуту, система приведения отключается, используется информация об угле поворота гироскопа и подаются расчетные сигналы в датчик моментов гироскопа.

Таким образом, предложенный способ азимутальной ориентации платформы ТГС имеет новизну. Авторам не известна совокупность существенных признаков, применяемых для решения данной технической задачи, что соответствует критерию «изобретательский уровень».

Источники информации

1. Хлебников Г.А. Начальная выставка инерциальных навигационных гироскопических систем. М., ВАД, 1994, с.285-287.

2. Патент РФ №2324897, кл. G01C 21/18, 2006.

Изобретение относится к области навигационного приборостроения и может быть использовано для определения положения платформы трехосного гиростабилизатора в азимуте, например, в высокоточных навигационных системах различного назначения. Технический результат - возможность определения азимутального положения гиростабилизированной платформы в условиях азимутальных смещений основания, упрощение конструкции, сокращение времени и повышение точности определения азимутального положения платформы. Для этого измерения производятся в инерциальном режиме функционирования системы стабилизации платформы относительно вертикальной оси. Перед началом измерений платформа грубо устанавливается и удерживается в требуемом исходном положении по азимуту. Азимутальное положение определяется по информации о токах обратной связи и углах поворота штатного гироблока, отключаемого от системы стабилизации и включаемого в режим датчика угловой скорости. Стабилизация и горизонтирование платформы при измерениях осуществляется соответствующим акселерометром, подключенным через усилитель к двигателю стабилизации. 1 з.п. ф-лы.

1. Способ автономной азимутальной ориентации платформы трехосного гиростабилизатора на подвижном основании, заключающийся в том, что для определения азимута платформы штатный гироблок системы стабилизации платформы включают в режим датчика угловой скорости, отличающийся тем, что гиростабилизированную платформу грубо устанавливают и удерживают в требуемом исходном положении по азимуту, отключают от системы удержания, выбранный гироблок стабилизации платформы относительно горизонтальной оси отключают от системы стабилизации и горизонтирования и переводят в режим датчика угловой скорости, а стабилизацию и горизонтирование платформы относительно этой оси осуществляют по сигналам с соответствующего акселерометра, отключаемого от датчика моментов гироскопа и подключаемого к двигателю стабилизации через усилитель, азимут платформы определяют путем обработки информации о токах обратной связи в датчике моментов гироскопа датчика угловой скорости и углах поворота гироскопа.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в датчик моментов азимутального гироблока подают постоянный расчетный сигнал, а азимутальную ориентацию платформы определяют путем обработки информации о токах обратной связи в датчике моментов гироскопа датчика угловой скорости и углах поворота гироскопа.