СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АЗИМУТА Российский патент 2015 года по МПК G01C19/38 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано при разработке, изготовлении и эксплуатации систем самоориентирующихся гироскопических курсоуказания и курсокреноуказания, предназначенных для систем навигации и топопривязки, наведения и прицеливания подвижных объектов наземной техники.

Известен способ определения истинного азимута в системе самоориентирующейся гироскопической курсокреноуказания по патенту РФ №2124184, в системе самоориентирующейся гироскопической курсокреноуказания (ССГККУ) по свидетельству РФ на полезную модель №9521. Способ определения истинного азимута реализован следующим образом. Исходным режимом при включении ССГККУ является режим гироазимута, при котором главная ось курсового гироскопа удерживается в плоскости горизонта горизонтальной коррекцией и свободна в азимуте. При включении режима гирокомпаса крутизна горизонтальной коррекции курсового гироскопа уменьшается, при этом включается азимутальная косвенная коррекция курсового гироскопа для приведения главной оси курсового гироскопа в плоскость меридиана в северном направлении. Значение А_N азимута фиксируется с курсового датчика угла ССГККУ как значение истинного азимута:

Недостаток известного способа определения истинного азимута, реализованного в ССГККУ, заключается в том, что в основном из-за действия собственного ухода курсового гироскопа относительно его горизонтальной оси возникает погрешность определения истинного азимута, меняющаяся при изменении широты местоположения объекта.

Известен способ определения истинного азимута системой самоориентирующейся гироскопической по патенту РФ №2407989, свободный от указанного недостатка, в котором инвариантность значения истинного азимута к изменению широты достигается путем последовательного приведения главной оси курсового гироскопа в плоскость меридиана в северном и южном направлениях с фиксацией с курсового датчика угла значений азимута A_N и A_S в указанных положениях, после чего определяют значение истинного азимута как:

Недостаток способа определения истинного азимута по патенту РФ №2407989 заключается в том, что после первого приведения в северном направлении и ускоренного разворота курсового гироскопа в азимуте на угол π приведение главной оси курсового гироскопа в плоскость меридиана осуществляют в южном направлении, для чего переключают полярность азимутальной косвенной коррекции на противоположную. В результате для реализации способа требуется выработка дополнительного управляющего сигнала и наличие дополнительного коммутирующего устройства. При этом из-за неидеальной работы цепей коррекции (усилителей) может наблюдаться изменение условий прихода главной оси курсового гироскопа к южному направлению, что будет приводить к ошибке определения азимута в южном направлении и соответственно к ошибке определения значения A_ucm, и, следовательно, к нарушению инвариантности значения истинного азимута к изменению широты. Возникновение ошибки определения азимута в противоположных направлениях (в северном и южном) может также возникать при наличии неортогональности горизонтальной оси чувствительности курсового гироскопа его оси азимутального вращения. В этом случае возникает нарушение условий настройки приведения главной оси курсового гироскопа в плоскость меридиана. При нормальном апериодическом процессе приведения главной оси гироскопа в северном направлении может наблюдаться затянутый процесс (гироскоп не успевает прийти к заданному направлению за заданное время) или сильноколебательный, вплоть до потери устойчивости, процесс приведения к южному направлению. Дополнительно в ССГККУ при смене полярности азимутальной косвенной коррекции наблюдается разное влияние помех и внешних возмущений, присутствующих в цепях коррекции. Например, если при приведении в северном направлении реализуется отрицательная обратная связь по помехам и возмущениям в цепи «датчик угла курсового гироскопа - усилитель азимутальной коррекции - азимутальный датчик момента курсового гироскопа», то будет наблюдаться подавление помех и возмущений. При смене полярности азимутальной косвенной коррекции соответственно реализуется положительная обратная связь по помехам и возмущениям, что также нарушает условия приведения главной оси курсового гироскопа в плоскость меридиана в южном направлении (возникает электрическое возбуждение в цепях коррекции, которое требует дополнительных мер по эффективной фильтрации помех, а также могут возникать дополнительные колебания или автоколебания курсового гироскопа у направления меридиана).

В качестве прототипа принят способ определения истинного азимута системой самоориентирующейся гироскопической по патенту РФ №2407989, существенные признаки которого для предлагаемого изобретения следующие: способ предусматривает включение режима гирокомпаса для приведения главной оси курсового гироскопа в плоскость меридиана, после приведения главной оси курсового гироскопа в плоскость меридиана и фиксации с курсового датчика угла значения азимута выключают режим гирокомпаса и производят ускоренный разворот курсового гироскопа в азимуте на угол π повторно включают режим гирокомпаса для приведения главной оси курсового гироскопа в плоскость меридиана и определяют значение истинного азимута в соответствии с заданным выражением.

Изобретение направлено на повышение точности определения истинного азимута системой самоориентирующейся гироскопической, устранение влияния изменения систематической составляющей ухода курсового гироскопа в процессе эксплуатации системы самоориентирующейся гироскопической на точность определения истинного азимута, упрощение реализации и повышение надежности.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе определения азимута с курсовым гироскопом и курсовым датчиком угла, заключающемся в том, что после включения режима гирокомпаса для первоначального приведения главной оси курсового гироскопа в плоскость меридиана в северном или южном направлении, приведения главной оси курсового гироскопа в плоскость меридиана и фиксации с курсового датчика угла значения азимута A₁, выключают режим гирокомпаса, производят ускоренный разворот курсового гироскопа в азимуте на угол π, включают режим гирокомпаса повторно и определяют значение истинного азимута, согласно изобретению после разворота на угол π режим гирокомпаса включают для приведения в плоскость меридиана в направлении первоначального приведения, после этого в течение заданного интервала времени фиксируют значения с курсового датчика угла и значения времени, соответствующие моментам получения значений с курсового датчика угла, по полученным значениям вычисляют скорость приведения курсового гироскопа в плоскость меридиана из положения курсового гироскопа A₁+π, после этого производят дополнительные развороты с выполнением операций по выключению и включению режима гирокомпаса с вычислением после включения режима гирокомпаса скорости приведения курсового гироскопа в плоскость меридиана, в результате выполнения указанных операций определяют положение А₂, в котором скорость приведения равна нулю, после этого проводят определение значения A_ucm истинного азимута согласно выражению:

где A₁ - значение азимута после первого приведения главной оси курсового гироскопа в плоскость меридиана, А₂ - значение курсового угла, при котором скорость приведения в положении, противоположном первому значению азимута, равна нулю, при этом значение истинного азимута равно A_ucm, если первоначальное приведение осуществляется в северном направлении, и A_ucm=A_ucm-π, если первоначальное приведение осуществляется в южном направлении.

В предлагаемом способе определения азимута повышение точности определения истинного азимута системой самоориентирующейся гироскопической, устранение влияния изменения систематической составляющей ухода курсового гироскопа в процессе эксплуатации системы самоориентирующейся гироскопической, упрощение реализации и повышение надежности реализуется следующим образом.

После первого включения режима гирокомпаса, приведения главной оси курсового гироскопа в плоскость меридиана в северном (или южном) направлении, фиксации с курсового датчика угла значения азимута A₁, выключения режима гирокомпаса, последовательного ускоренного разворота курсового гироскопа в азимуте на угол π повторно включают режим гирокомпаса для приведения главной оси курсового гироскопа в плоскость меридиана в направлении, в котором осуществлялось первоначальное приведение. При этом не требуется наличие дополнительного управляющего сигнала на осуществление изменения полярности азимутальной косвенной коррекции на противоположную и соответственно наличие дополнительного коммутирующего устройства. Этим достигается упрощение реализации и повышение надежности способа определения азимута.

После ускоренного разворота курсового гироскопа в азимуте на угол π и повторного включения режима гирокомпаса для приведения к первоначальному направлению, в результате того, что положение, в котором находится курсовой гироскоп после разворота на угол π, является неустойчивым, начинается процесс приведения главной оси курсового гироскопа к положению, полученному при первом включении режима гирокомпаса. Чтобы исключить влияние переходного процесса азимутальной косвенной коррекции, выдерживают заданный интервал времени, затем в течение заданного интервала времени фиксируют множество значений с курсового датчика угла и моменты времени получения значений с курсового датчика угла, по полученным значениям вычисляют скорость приведения курсового гироскопа в плоскость меридиана из положения A₁+π. Дальнейшее определение положения, в котором скорость приведения равна нулю, может осуществляться различными методами. При известной характеристике приведения (т.е. при известной зависимости скорости приведения от углового положения курсового гироскопа в окрестности его неустойчивого положения) положение, в котором скорость приведения равна нулю, определяется непосредственно по вычисленной скорости приведения. Если характеристика заведомо неизвестна (или неизвестны точно ее параметры), определение положения, в котором скорость приведения равна нулю, осуществляется непосредственным приведением курсового гироскопа в указанное положение. Для этого после вычисления скорости приведения в текущем положении производят последовательные развороты курсового гироскопа в сторону уменьшения скорости приведения до достижения ею значения в очередном положении нулевого уровня с заданной точностью.

При неизвестной характеристике приведения может также применяться метод, при котором после вычисления скорости приведения в текущем положении производят разворот курсового гироскопа в сторону уменьшения скорости приведения до смены направления приведения (до перехода через положение нулевой скорости приведения). При условии малости угловых расстояний от положения нулевой скорости приведения зависимость скорости приведения от углового положения курсового гироскопа может считаться линейной. В этом случае положение, в котором скорость приведения равна нулю, вычисляется из пропорции, составленной из значений с курсового датчика угла и вычисленных скоростей приведения. Для определения положения, в котором скорость приведения равна нулю, общими для всех методов являются операции фиксации значений с курсового датчика угла, вычисления скорости приведения курсового гироскопа в плоскость меридиана, проведение необходимых разворотов.

Ввиду того, что определение положения, в котором скорость приведения равна нулю, осуществляется при той же (того же знака) азимутальной косвенной коррекции, что и при первом приведении курсового гироскопа, отсутствуют дополнительные погрешности определения второго (отличающегося на π) значения азимута (соответствующего положению, в котором скорость приведения равна нулю), вызванные изменением условий прихода главной оси курсового гироскопа к направлению меридиана из-за неидеальной работы цепей коррекции (усилителей), а также при наличии неортогональности горизонтальной оси чувствительности курсового гироскопа оси вращения. Дополнительно, путем выбора соответствующего направления первоначального приведения (северного или южного, при котором реализуется отрицательная обратная связь по помехам и возмущениям в цепи «датчик угла курсового гироскопа - усилитель азимутальной коррекции - азимутальный датчик момента курсового гироскопа») может быть минимизировано влияние помех и внешних возмущений, присутствующих в цепях коррекции. Этим достигается повышение точности определения истинного азимута системой самоориентирующейся гироскопической при реализации способа.

После первого включения режима гирокомпаса и приведения главной оси курсового гироскопа в плоскость меридиана из-за действия моментов, в основном от собственного ухода курсового гироскопа относительно горизонтальной оси чувствительности, а также от других вредных моментов главная ось курсового гироскопа отклоняется от северного направления в зависимости от широты φ местоположения объекта на величину ΔA₁:

где ω₁ - значение собственного ухода относительно горизонтальной оси чувствительности и эквивалентного ухода от вредных моментов курсового гироскопа.

При положительных значениях ω₁ главная ось курсового гироскопа отклоняется от северного к восточному направлению на угол ΔA₁, при этом с курсового датчика угла системы самоориентирующейся гироскопической значение азимута фиксируется с погрешностью, а именно:

Аналогично значение курсового угла А₂, при котором скорость приведения в положении, противоположном первому положению курсового гироскопа после первоначального приведения в плоскость меридиана и фиксации значения азимута, равна нулю, также фиксируется с ошибкой ΔA₁, при этом:

A₂=A_ucm+ΔA₁-π, при A₁>A₂;

Изменение знака учета погрешности ΔA₁ показывает, что при положительных значениях ω₁ в положении, в котором скорость приведения равна нулю, главная ось курсового гироскопа отклоняется от южного направления также к восточному направлению на угол ΔA₁. При первоначальном приведении к южному направлению ситуация аналогична ввиду того, что погрешность ΔA₁ связана с корпусом гироскопа. При складывании значений A₁ и А₂ погрешности, равные по модулю и противоположные по знаку, исключаются. Таким образом, в заявленном способе происходит автокомпенсация погрешностей, возникающих из-за действия собственного ухода относительно горизонтальной оси чувствительности и эквивалентного ухода от вредных моментов курсового гироскопа, чем достигается технический результат, связанный с устранением влияния изменения систематической составляющей ухода курсового гироскопа в процессе эксплуатации системы самоориентирующейся гироскопической. При этом путем периодического (связанного с выполнением регламентных работ на объекте) выполнения операций, описанных в способе, может быть обеспечено сохранение инвариантности значения истинного азимута к изменению широты эксплуатации системы самоориентирующейся гироскопической.

Дополнительно, в выражениях (3) учитывается угловое расстояние π между A₁ и А₂. При этом конкретный знак учета π выбирается при сравнении значений A₁ и А₂ исходя из того, что значения A₁ и А₂ всегда находятся в диапазоне от 0 до 2π.

Включение режима ускоренного разворота курсового гироскопа в азимуте на угол π позволяет предварительно грубо вывести главную ось гироскопа в зону нулевой скорости приведения. Так как в результате настройки системы самоориентирующейся гироскопической может быть выбран один из вариантов настройки, соответствующий первоначальному приведению главной оси курсового гироскопа в северном или южном направлении, значение истинного азимута корректируется на величину угла π в зависимости от реализованного направления приведения. При этом учет угла π может выполняться непосредственно в поправке на смещение угла азимута, определяемой при установке системы самоориентирующейся гироскопической на объекте.

Способ реализуется с использованием системы самоориентирующейся гироскопической, имеющей программно включаемые режимы: гирокомпас, ускоренный разворот курсового гироскопа, хранение направления. При этом реализация способа возможна для уже эксплуатирующихся систем без доработки их аппаратной части. Способ промышленно применим, что подтверждается его успешной апробацией на опытных образцах систем самоориентирующихся гироскопических курсокреноуказания.

Изобретение относится к области приборостроения и может найти применение при разработке, изготовлении и эксплуатации самоориентирующихся гироскопических систем курсоуказания и курсокреноуказания. Технический результат - повышение точности, упрощение реализации и повышение надежности. Для достижения данного результата включают режим гирокомпаса для первоначального приведения главной оси курсового гироскопа в плоскость меридиана в северном или южном направлении. После приведения главной оси курсового гироскопа в плоскость меридиана и фиксации с курсового датчика угла значения азимута производят ускоренный разворот курсового гироскопа в азимуте на угол π и включают режим гирокомпаса для приведения в первоначальном направлении. После этого определяют положение, в котором скорость приведения равна нулю, и проводят определение значения истинного азимута согласно выражению:

$$A_{ucm}=\frac{A_1+A_2+\pi }{2}$$ при A₁>A₂ или $$A_{ucm}=\frac{A_1+A_2-\pi }{2}$$ при A₁<А₂,

где A₁ - значение азимута после первого приведения главной оси курсового гироскопа в плоскость меридиана, А₂ - значение курсового угла, при котором скорость приведения в положении, противоположном первому значению азимута, равна нулю.

Способ определения азимута с курсовым гироскопом и курсовым датчиком угла, заключающийся в том, что после включения режима гирокомпаса для первоначального приведения главной оси курсового гироскопа в плоскость меридиана в северном или южном направлении, приведения главной оси курсового гироскопа в плоскость меридиана и фиксации с курсового датчика угла значения азимута A₁ выключают режим гирокомпаса, производят ускоренный разворот курсового гироскопа в азимуте на угол π, включают режим гирокомпаса повторно и определяют значение истинного азимута, отличающийся тем, что после разворота на угол π режим гирокомпаса включают для приведения в плоскость меридиана в направлении первоначального приведения, после этого в течение заданного интервала времени фиксируют значения с курсового датчика угла и значения времени, соответствующие моментам получения значений с курсового датчика угла, по полученным значениям вычисляют скорость приведения курсового гироскопа в плоскость меридиана из положения курсового гироскопа A₁+π, после этого производят дополнительные развороты с выполнением операций по выключению и включению режима гирокомпаса с вычислением после включения режима гирокомпаса скорости приведения курсового гироскопа в плоскость меридиана, в результате выполнения указанных операций определяют положение А₂, в котором скорость приведения равна нулю, после этого проводят определение значения A_ucm истинного азимута согласно выражению:
при A₁>A₂ или при A₁<А₂,
где A₁ - значение азимута после первого приведения главной оси курсового гироскопа в плоскость меридиана, А₂ - значение курсового угла, при котором скорость приведения в положении, противоположном первому значению азимута, равна нулю,
при этом значение истинного азимута равно A_ucm, если первоначальное приведение осуществляется в северном направлении, и A_ucm=A_ucm-π, если первоначальное приведение осуществляется в южном направлении.