СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АЗИМУТА Российский патент 2017 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. Способ определения истинного азимута реализован следующим образом. Исходным режимом при включении ССГККУ является режим гироазимута (ГА), при котором главная ось курсового гироскопа удерживается в плоскости горизонта горизонтальной коррекцией и свободна в азимуте. При включении режима гирокомпаса (ГК) 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. После завершения процесса приведения значение 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.

В качестве прототипа принят способ определения истинного азимута системой самоориентирующейся гироскопической по патенту РФ №2407989, который предусматривает определение азимута курсовым гироскопом с курсовым датчиком угла и заключается 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 выключают режим гирокомпаса.

В известном способе определения истинного азимута системой самоориентирующейся гироскопической по патенту РФ №2407989 достигается инвариантность значения истинного азимута к изменению широты.

Недостаток способа определения истинного азимута по патенту РФ №2407989 заключается в том, что после первоначального приведения в северном направлении производят ускоренный разворот курсового гироскопа в азимуте на угол π и осуществляют приведение главной оси курсового гироскопа в плоскость меридиана в южном направлении, для чего переключают полярность азимутальной косвенной коррекции на противоположную. В результате при реализации способа требуются дополнительные временные затраты на выполнение изменения углового положения курсового гироскопа путем его прецессии в азимуте на угол, близкий к π. При этом из-за наличия погрешностей курсового гироскопа, связанных с его положением относительно корпуса системы самоориентирующейся гироскопической, может наблюдаться снижение точности определения азимута в южном направлении и, соответственно, приводить к ошибке определения значения азимута А_ист.

В известном способе ошибка определения азимута в противоположных направлениях (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 могут наблюдаться затянутый процесс (гироскоп не успевает прийти к заданному направлению за заданное время) или сильно колебательный, вплоть до потери устойчивости, процесс приведения к южному направлению.

Указанное дополняется тем, что при воздействии помех на курсовой гироскоп со стороны креновых каналов системы самоориентирующейся гироскопической, положение которых фиксировано относительно корпуса системы, знак действия таких помех меняется на противоположный в результате изменения положения курсового гироскопа относительно осей креновых каналов на угол π. Это также приводит к разной устойчивости и точности измерений курсовым гироскопом в северном и южном направлениях.

Изобретение направлено на повышение точности и сокращение времени определения азимута системой самоориентирующейся гироскопической.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе определения азимута курсовым гироскопом с 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, повторно включают режим гирокомпаса для приведения главной оси курсового гироскопа в плоскость меридиана в противоположном первоначальному приведению направлении, 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 главной оси курсового гироскопа в плоскость меридиана в противоположном первоначальному приведению направлении, после этого производят дополнительные развороты с выполнением операций по выключению и включению режима гирокомпаса с вычислением после включения режима гирокомпаса скорости приведения главной оси курсового гироскопа в плоскость меридиана в противоположном первоначальному приведению направлении, в результате выполнения указанных операций определяют положение А₂, в котором скорость приведения главной оси курсового гироскопа в противоположном первоначальному приведению направлении из положения курсового гироскопа, близкого к положению курсового гироскопа после первоначального приведения, равна нулю, после чего азимут определяют согласно выражению:

где A₁ - значение азимута после первоначального приведения главной оси курсового гироскопа в плоскость меридиана, А₂ - значение курсового угла, при котором скорость приведения главной оси курсового гироскопа в противоположном первоначальному приведению направлении равна нулю, причем значение курсового угла А₂ - близкое к первоначальному значению азимута A₁.

В предлагаемом способе определения азимута повышение точности определения азимута системой самоориентирующейся гироскопической, сокращение времени определения азимута обеспечиваются следующим образом.

Первоначальное приведение главной оси курсового гироскопа может осуществляться как в северном, так и в южном направлении.

После первоначального включения режима гирокомпаса, приведения главной оси курсового гироскопа в плоскость меридиана, фиксации с курсового датчика угла значения азимута A₁ включают режим гирокомпаса для приведения главной оси курсового гироскопа в плоскость меридиана в противоположном первоначальному приведению направлении. Для этого с помощью коммутирующего устройства изменяют полярность азимутальной косвенной коррекции курсового гироскопа на противоположную. Заданный интервал времени, на который включается режим гирокомпаса, фиксируется с помощью таймера. Ввиду того, что при этом не производится существенных изменений углового положения курсового гироскопа в азимуте (все дальнейшие действия производятся на углах азимута, близких к А₁), не возникают дополнительные ошибки, связанные с изменением положения корпуса курсового гироскопа относительно корпуса системы самоориентирующейся гироскопической (в частности, на угол π). При этом из-за одинаковых условий работы курсового гироскопа в результате одинакового воздействия помех со стороны креновых каналов системы самоориентирующейся гироскопической достигается дополнительное повышение точности определения азимута.

При включении режима гирокомпаса с приведением в противоположном направлении знак азимутальной косвенной коррекции изменяется на противоположный. В результате текущее положение главной оси курсового гироскопа, близкое к значению A₁, становится неустойчивым, начинается процесс прецессионного приведения главной оси курсового гироскопа в противоположном направлении, к новому устойчивому положению, отстоящему на угол, близкий к π, от положения A₁. При этом точка неустойчивого равновесия, в которой скорость приведения в противоположном направлении равна нулю, располагается на незначительном угловом положении от текущего положения курсового гироскопа A₁ (в общем случае на величину ошибки, возникающую в результате переключения знака косвенной коррекции). Чтобы исключить влияние переходного процесса азимутальной косвенной коррекции, выдерживают заданный интервал времени, после этого фиксируют множество значений с курсового датчика угла и рассчитывают скорость приведения главной оси курсового гироскопа в противоположном направлении.

Дальнейшее определение положения, в котором скорость приведения равна нулю, может осуществляться различными методами. При известной характеристике приведения в противоположном направлении (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 курсового гироскопа нулевого уровня с заданной точностью. Задание уровня может осуществляться задающим устройством, а сравнение - устройством сравнения.

При неизвестной характеристике приведения может 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 датчика угла и вычисленных скоростей приведения. Общими для определения положения, в котором скорость приведения в точке неустойчивого равновесия равна нулю, для всех методов являются операции фиксации значений с курсового датчика угла, вычисления скорости приведения курсового гироскопа в плоскость меридиана, проведение необходимых малых разворотов.

Ввиду того, что определение положения, в котором скорость приведения в противоположном направлении равна нулю, осуществляется в положении, близком к положению, полученному при первоначальном приведении курсового гироскопа, отсутствует необходимость дополнительного прецессионного разворота курсового гироскопа в азимуте на угол π. Этим достигается сокращение времени определения истинного азимута системой самоориентирующейся гироскопической.

Пусть первоначальное приведение осуществляется в северном направлении. После первоначального включения режима гирокомпаса и приведения главной оси курсового гироскопа в плоскость меридиана главная ось курсового гироскопа занимает угловое положение A₁.

После переключения знака косвенной коррекции положение неустойчивого равновесия в режиме гирокомпаса будет располагаться в угловом положении А₂, отстоящем на величину ошибки 2⋅ΔА (возникающей в результате переключения знака косвенной коррекции) от углового положения A₁, т.е. А₁=А₂-2⋅ΔА. Ошибка от переключения знака косвенной коррекции условно принята равной некой удвоенной подлежащей определению ошибке ΔА.

Тогда можно записать, что с курсового датчика угла системы самоориентирующейся гироскопической значение азимута после первоначального приведения фиксируется с погрешностью -ΔА, а именно:

а значение курсового угла А₂, при котором скорость приведения в противоположном южном направлении, равна нулю (при этом значение курсового угла А₂ находится на близком угловом расстоянии от угла А₁), фиксируется с ошибкой ΔА:

т.е. разница между двумя значениями курсового угла равна А₂-А₁=2⋅ΔА.

Изменение знака учета погрешности ΔА в выражении (4) связано с изменением знака косвенной азимутальной коррекции курсового гироскопа, что приводит к изменению направления действия вредных моментов от переключения коррекции (т.е. считаем, что при отключенной коррекции ΔА=0 - нулевой уровень, при котором нет действия вредных моментов). При складывании значений A₁ и A₂ погрешности, равные по модулю и противоположные по знаку, исключаются. Таким образом, в заявленном способе происходит автокомпенсация погрешности, возникающей из-за переключения знака косвенной коррекции, при этом влияние указанной погрешности на вычисленное значение азимута минимизируется.

Ввиду того, что передача азимутального угла датчиком угла курсового гироскопа осуществляется в диапазоне углов 0…2π, дополнительно при конкретной реализации способа должно учитывается угловое расстояние между А₁ и А₂ при переходе указанных величин через ноль.

По аналогичному принципу проявляется погрешность от переключения знака коррекции, если первоначальное приведение осуществляется в южном направлении. При этом меняются на противоположные знаки действующих моментов, что приводит к тому, что: А₁=А+ΔА, А₂=А-ΔА.

Способ реализуется с использованием системы самоориентирующейся гироскопической, имеющей программно включаемые режимы: гирокомпас, ускоренный разворот курсового гироскопа, хранение направления. Способ промышленно применим, что подтверждается его успешной апробацией на опытных образцах систем самоориентирующихся гироскопических курсокреноуказания. При применении заявляемого способа на указанных образцах достигается повышение точности определения истинного азимута в процессе эксплуатации системы самоориентирующейся гироскопической, особенно при ее работе в высоких широтах.

Изобретение относится к области приборостроения и может найти применение при разработке, изготовлении и эксплуатации самоориентирующихся гироскопических систем курсоуказания и курсокреноуказания, систем топопривязки и навигации. Технический результат - повышение точности и сокращение времени определения азимута. Для этого включают режим гирокомпаса для первоначального 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 повторно включают режим гирокомпаса для приведения главной оси курсового гироскопа в противоположном первоначальному приведению направлении. После этого определяют положение, в котором скорость приведения равна нулю, и проводят определение значения азимута согласно выражению: где А₁ - значение азимута после первоначального приведения главной оси курсового гироскопа в плоскость меридиана, А₂ - значение курсового угла, при котором скорость приведения главной оси курсового гироскопа в противоположном первоначальному приведению направлении равна нулю, причем значение курсового угла А₂ - близкое к первоначальному значению азимута А₁.

Способ определения азимута курсовым гироскопом с 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 А₁ выключают режим гирокомпаса, отличающийся тем, что повторно включают режим гирокомпаса для приведения главной оси курсового гироскопа в плоскость меридиана в противоположном первоначальному приведению направлении, 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 главной оси курсового гироскопа в плоскость меридиана в противоположном первоначальному приведению направлении, после этого производят дополнительные развороты с выполнением операций по выключению и включению режима гирокомпаса с вычислением после включения режима гирокомпаса скорости приведения главной оси курсового гироскопа в плоскость меридиана в противоположном первоначальному приведению направлении, в результате выполнения указанных операций определяют положение А₂, в котором скорость приведения главной оси курсового гироскопа в противоположном первоначальному приведению направлении из положения курсового гироскопа, близкого к положению курсового гироскопа после первоначального приведения, равна нулю, после чего азимут определяют согласно выражению:

где A₁ - значение азимута после первоначального приведения главной оси курсового гироскопа в плоскость меридиана, А₂ - значение курсового угла, при котором скорость приведения главной оси курсового гироскопа в противоположном первоначальному приведению направлении равна нулю, причем значение курсового угла А₂ - близкое к первоначальному значению азимута A₁.