Способ определения и компенсации девиации магнитометрических датчиков и устройство для его осуществления Российский патент 2017 года по МПК G01C21/08 

Изобретение относится к магнитному курсоуказанию и навигации и может быть использовано на летательных аппаратах для определения коэффициентов девиации, описывающих изменения напряженности результирующего магнитного поля земли (МПЗ), вносимые летательным аппаратом (ЛА) непосредственно в полете, и компенсации этих изменений при вычислении магнитного курса ψ_м.

В связи с тем, что характер груза, подвесного или несъемного, включаемого под ток оборудования ЛА, а значит и коэффициенты девиации, могут меняться на каждом вылете, может возникать необходимость компенсации девиации магнитометрических датчиков на каждом вылете.

Известны способ определения и компенсации девиации магнитометрических датчиков и устройство для его осуществления, представленные в патенте RU 2550774, МПК G01C 21/08, G01C 25/00, опубл. 10.05.2015 г. Согласно известному способу определение и компенсацию девиации магнитометрических датчиков ЛА осуществляют путем многократного измерения проекций составляющих МПЗ на строительные оси ЛА при выполнении маневра ЛА в полете, определения модулей результирующих МПЗ, формирования функций чувствительности с поочередным добавлением малых приращений к каждому коэффициенту, и на их основе определения приращений коэффициентов магнитной девиации ортогональных магнитных датчиков Δр Δr Δq Δа Δе Δb итеративным методом. Задача сводится к определению коэффициентов Пуассона методом параметрической идентификации по критерию минимума разности между текущим, вычисленным значением результирующего магнитного поля земли и его постоянным, определенным как среднее за весь маневр, значением. При правильном решении эти приращения по мере выполнения итераций стремятся к нулю. Итерационный процесс полагаем успешным, если на последней итерации выполняется условие:

При выполнении итерации автоматически списываются девиации магнитных датчиков и определяется магнитный курс.

В приведенном изобретении устройство для определения и компенсации девиации магнитометрических датчиков содержит трехкомпонентный магнитометрический датчик, вычислитель магнитного курса, блок оценки модуля МПЗ, блок формирования функций чувствительности и блок определения вектора приращений коэффициентов магнитной девиации.

Известные способ определения и компенсации девиации магнитометрических датчиков и устройство для его осуществления, несмотря на эффективное определение коэффициентов полукруговой девиации, не позволяют определить все коэффициенты девиации, в частности круговую девиацию.

Цель изобретения - обеспечение возможности определения и компенсации всех составляющих коэффициентов девиации магнитометрических датчиков в полете при каждом вылете, используя специальные маневры после взлета и спутниковую навигационную систему (СНС), и сокращение тем самым трудозатрат и сроков подготовки ЛА к вылету.

Указанная цель достигается за счет того, что, согласно заявляемому способу определения и компенсации девиации магнитометрических датчиков, основанному на многократном определении магнитного курса ЛА при выполнении маневра в полете, дополнительно используют измерения СНС по скорости в восточном и северном направлениях, определяют путевой угол ЛА и осуществляют довыставку курса бесплатформенной инерциальной системы (БИНС) по путевому углу в процессе руления и взлета до момента отрыва колес от взлетно-посадочной полосы (ВПП), после набора высоты Н≥1000 м выполняют фигуру пилотажа «восьмерка» в горизонтальной плоскости с постоянными абсолютными значениями углов крена, при этом в процессе выполнения фигуры определяют разности магнитного курса и истинного курса от БИНС, определяют и запоминают средние значения разностей, определенных на первой и второй ветках фигуры «восьмерка» на одних и тех же магнитных курсах, далее осредняют запомненные значения разностей в пределах одного градуса для всего рабочего диапазона, соответствующего 360 градусам, полученные средние значения, являющиеся девиацией магнитного компаса, используют для коррекции магнитного курса.

Заявляемый способ может быть реализован с помощью устройства для определения и компенсации девиации магнитометрических датчиков, содержащего последовательно соединенные трехкомпонентный магнитометрический датчик и блок определения магнитного курса, которое в отличие от прототипа дополнительно содержит сумматор, выход которого является выходом устройства, последовательно соединенные бесплатформенную инерциальную навигационную систему, вычитающее устройство и блок коррекции, причем выход блока определения магнитного курса подключен ко второму входу вычитающего устройства и к первому входу сумматора, второй вход которого соединен с выходом блока коррекции, последовательно соединенные спутниковую навигационную систему, блок определения путевого угла и логический блок коммутации, выход которого подключен к выходу БИНС, второй и третий выходы которой подключены ко вторым входам блока определения магнитного курса и логического блока коммутации соответственно, и пульт управления, выход которого подключен к третьим входам вычитающего устройства и логического блока коммутации.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена структурная схема устройства для определения и компенсации девиации магнитометрических датчиков.

Устройство содержит трехкомпонентный магнитометрический датчик 1, блок 2 определения магнитного курса, сумматор 3, БИНС 4, вычитающее устройство 5, блок 6 коррекции, СНС 7, блок 8 определения путевого угла, логический блок 9 коммутации и пульт 10 управления.

Трехкомпонентный магнитометрический датчик 1 измеряет и выдает значения проекций напряженности магнитного поля Земли в связанной с ЛА системе координат в блок 2 определения магнитного курса.

В блоке 2 определения магнитного курса определяется текущий магнитный курс с учетом крена и тангажа ЛА, согласно выражению (2).

БИНС 4 выдает значения скорости вдоль продольной оси ЛА V_x в логический блок 9 коммутации, значение гироскопического курса в вычитающее устройство 5 и значения крена и тангажа в блок 2 определения магнитного курса после начальной выставки по горизонту и довыставки по курсу в процессе разбега.

В вычитающем устройстве 5 определяется разность (3) между истинным (гироскопическим курсом) ψ_и и магнитным курсом ψ_М для каждого значения курса от 0 до 360 градусов в процессе выполнения маневра, по команде от ПУ 10.

В блоке 6 определения среднего значения девиации и коррекции определяется среднее значение поправки магнитного курса по запомненным значениям разностей при соответствующих значениях углов курса первой и второй ветки маневра «восьмерка».

СНС 7 выдает скорости движения ЛА в направлении северного меридиана V_N и в направлении восточной параллели V_E в блок 8 определения путевого угла.

В блоке 8 определения путевого угла определяется путевой угол, согласно выражению (1).

Логический блок 9 коммутации замыкает цепь коррекции гироскопического курса от СНС при достижении пороговой скорости ЛА и размыкает цепь при срабатывании концевого выключателя «обжатие стойки шасси».

От пульта управления 10 поступает команда на довыставку по курсу и выдачу результатов определения разности магнитного курса и курса от БИНС в блок 6 коррекции.

В сумматоре 3 запомненные средние значения поправок из блока 6 используются для компенсации девиации текущего магнитного курса.

Используя СНС, можно определить путевой угол, согласно известному выражению:

где: V_E - путевая скорость ЛА от СНС в восточном направлении, V_N - путевая скорость ЛА в северном направлении. Необходимо отметить, что путевой угол Ψ_П и истинный курс ψ_и – это разные углы и отличаются на величину угла сноса, обусловленного наличием ветра. По этой причине использовать путевой угол в качестве эталона для определения девиации не представляется возможным. В качестве эталона предлагается использовать БИНС, предварительно точно выставленную в горизонте и довыставленную в азимуте при помощи СНС. Учитывая тот факт, что в полете имеется угол сноса, довыставку по курсу предлагается осуществить при рулении и разбеге ЛА в процессе взлета, до момента срабатывания концевого выключателя «обжатие стойки шасси». Пороговое значение разрешения коррекции назначается из условия допустимой погрешности измерения значения путевого угла СНС. А в процессе подготовки ЛА к вылету осуществляется выставка БИНС в горизонте с определением систематических составляющих дрейфов всех трех гироскопов, расположенных по строительным осям ЛА. После взлета и набора высоты включается режим компенсации девиации. Для определения девиации выполняется специальный маневр в виде «восьмерка» в плоскости горизонта с постоянными значениями крена, на правом вираже со знаком плюс, на левом со знаком минус, соответственно. В процессе выполнения маневра определяется магнитный курс по измеренным значениям магнитометрических датчиков ψ_м

Если ψ_м<0, то ψ_м=ψ_м+2π,

и для каждого значения курса определяется разность магнитного курса ψ_м и истинного курса ψ_и,

Запоминаются 360 значений Δψⁱ первой ветки и второй ветки фигуры «восьмерка» для различных углов магнитного курса. Для введения поправки измеренному значению магнитного курса используют среднее значение погрешностей первой и второй ветки фигуры «восьмерка».

Как известно, гироскопические датчики имеют систематические и постоянные дрейфы. Кроме того, искомые параметры в БИНС определяются путем интегрирования выходных сигналов датчиков угловых скоростей. По этой причине с течением времени возникает необходимость их коррекции. При наличии на борту СНС методами статистической рекуррентной фильтрации в некоторых случаях удается оценить предполагаемые погрешности определения углов ориентации ЛА. Однако сигналы спутников СНС подвержены влиянию помех при большой облачности, а маневры ЛА приводят к потере связанных спутников и т.д. Использование магнитного корректора курса остается актуальной задачей. Использование БИНС в качестве эталона в начальном этапе полета возможно, в случае достаточно точной начальной выставки по трем углам крена, тангажа и курса с одновременным определением систематических составляющих дрейфов гироскопов. Для повышения точности выставки по курсу предлагается использовать путевой угол, определяемый по сигналам СНС при рулении и при разбеге ЛА.

Согласно (1) погрешность определения путевого угла определяется выражением:

С учетом того, что погрешность определения скоростей ΔV_N и ΔV_E в СНС составляет 0.15 м/сек, при скорости разбега 100 км/час ΔΨ_П=0.3 град. Из этих условий назначают порог разрешения довыставки по курсу при разбеге, в зависимости от типа ЛА. После отрыва шасси от ВПП на ЛА оказывает влияние ветер, следовательно и довыставку необходимо прекратить. После набора высоты Н>1000 м необходимо выполнить специальный маневр типа «восьмерка» в горизонтальной плоскости с постоянным креном. Противоположные направления крена при выполнении маневра позволяют избежать креновой погрешности путем осреднения погрешностей измерения магнитного курса при одних и тех же значениях курса. Осредненные погрешности магнитного курса записывают в память и используют в качестве поправки к магнитному курсу.

Таким образом, в результате использования предложенных способа и устройства не требуется дополнительных работ на земле для начальной выставки БИНС и для компенсации постоянной девиации, с применением оптических пеленгаторов и теодолитов, в результате сокращается время подготовки ЛА к вылету. Изобретения можно использовать на всех типах ЛА, особенно в легких или средних беспилотных ЛА, для которых выполнить предписанную фигуру после взлета не затруднительно.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано на летательных аппаратах (ЛА) для определения коэффициентов девиации, описывающих изменения напряженности магнитного поля земли (МПЗ), вносимые летательным аппаратом непосредственно в полете для компенсации этих изменений при вычислении магнитного курса. Для определения и компенсации девиации дополнительно используют измерения спутниковой навигационной системы (СНС) по скорости в восточном и северном направлениях, определяют путевой угол ЛА и осуществляют довыставку курса бесплатформенной инерциальной навигационной системы (БИНС) по путевому углу в процессе руления и взлета до момента отрыва колес от взлетно-посадочной полосы (ВПП). После набора высоты Н≥1000 м выполняют фигуру пилотажа «восьмерка» в горизонтальной плоскости с постоянными абсолютными значениями углов крена, при этом в процессе выполнения фигуры определяют разности магнитного курса и истинного курса от БИНС, определяют и запоминают средние значения разностей определенных на первой и второй ветках фигуры «восьмерка» на одних и тех же магнитных курсах. Далее осредняют запомненные значения разностей в пределах одного градуса для всего рабочего диапазона, соответствующего 360 градусам. Полученные средние значения, являющиеся девиацией магнитного компаса, используют для коррекции магнитного курса. Устройство для осуществления способа содержит трехкомпонентный магнитометрический датчик 1, блок 2 определения магнитного курса, сумматор 3, БИНС 4, вычитающее устройство 5, блок 6 коррекции, СНС 7, блок 8 определения путевого угла, логический блок 9 коммутации и пульт 10 управления. Технический результат - обеспечение возможности определения и компенсации всех составляющих коэффициентов девиации магнитометрических датчиков в полете при каждом вылете, используя специальные маневры после взлета и СНС, и сокращение тем самым трудозатрат и сроков подготовки ЛА к вылету. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ определения и компенсации девиации магнитометрических датчиков, основанный на многократном определении магнитного курса ЛА при выполнении маневра в полете, отличающийся тем, что дополнительно используют измерения спутниковой навигационной системы (СНС) по скорости в восточном и северном направлениях, определяют путевой угол ЛА и осуществляют довыставку курса бесплатформенной инерциальной навигационной системы (БИНС) по путевому углу в процессе руления и взлета до момента отрыва колес от взлетно-посадочной полосы (ВПП), после набора высоты Н≥1000 м выполняют фигуру пилотажа «восьмерка» в горизонтальной плоскости с постоянными абсолютными значениями углов крена, при этом в процессе выполнения фигуры определяют разности магнитного курса и истинного курса от БИНС, определяют и запоминают средние значения разностей, определенных на первой и второй ветках фигуры «восьмерка» на одних и тех же магнитных курсах, далее осредняют запомненные значения разностей в пределах одного градуса для всего рабочего диапазона, соответствующего 360 градусам, полученные средние значения, являющиеся девиацией магнитного компаса, используют для коррекции магнитного курса.

2. Устройство для определения и компенсации девиации магнитометрических датчиков, содержащее последовательно соединенные трехкомпонентный магнитометрический датчик и блок определения магнитного курса, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит сумматор, выход которого является выходом устройства, последовательно соединенные бесплатформенную инерциальную навигационную систему, вычитающее устройство и блок коррекции, причем выход блока определения магнитного курса подключен ко второму входу вычитающего устройства и к первому входу сумматора, второй вход которого соединен с выходом блока коррекции, последовательно соединенные спутниковую навигационную систему, блок определения путевого угла и логический блок коммутации, выход которого подключен к выходу БИНС, второй и третий выходы которой подключены ко вторым входам блока определения магнитного курса и логического блока коммутации соответственно, и пульт управления, выход которого подключен к третьим входам вычитающего устройства и логического блока коммутации.