Способ измерения магнитного курса судна в высоких широтах и устройство для его реализации Российский патент 2019 года по МПК G01C17/30 

Изобретение относится к области навигационного приборостроения и может быть использовано в высокоширотных магнитных компасах, оборудованных устройствами дистанционной передачи информации о курсе.

Известны дистанционные магнитные компасы, содержащие корпус, заполненный демпфирующей жидкостью, картушку с магнитным чувствительным элементом (далее - МЧЭ), установленную на опоре, индукционный преобразователь, размещенный в магнитном поле МЧЭ, девиационный прибор, содержащий компенсатор полукруговой девиации компаса, и электромеханическую дистанционную передачу, например, магнитные компасы "Сектор" ["Магнитные компасы", В.П. Кожухов, В.В. Воронов, В.В. Григорьев // М.: Транспорт, 1981, стр. 173-180] и КМ145-С ["Современные судовые магнитные компасы" Л.А. Кардашинский-Брауде // С-Пб.:, Изд. ГНЦ РФ ЦНИИ "Электроприбор", 1999, стр. 60-62]. К недостаткам способа измерения магнитного курса, реализуемого в этих компасах относится значительная систематическая погрешность δ_p их показаний на качке при работе в высоких широтах, вызванная действием в плоскости диска картушки с МЧЭ проекции вертикальной составляющей земного магнетизма, выражаемой формулой ["Магнитно-компасное дело" Н.Ю. Рыбалтовский // Государственное издательство водного транспорта, Л., 1954, стр. 441]:

где h - высота картушки компаса над осью качаний судна;

- длина маятника с периодом колебания, соответствующим периоду колебаний судна;

i - угол поперечного крена судна;

θ - магнитное наклонение (угол между вертикальной и горизонтальной составляющей вектора магнитного поля Земли);

k - магнитный курс судна.

За прототип устройства, описанного в изобретении, принят компас КМ145-С.

Решаемая техническая проблема - разработка способа компенсации систематической погрешности δ_p компаса на качке (далее - погрешности δ_p), вызванной действием в плоскости диска картушки с МЧЭ проекции вертикальной составляющей земного магнетизма и совершенствование конструкции магнитного компаса (далее - компаса).

Технический результат - уменьшение погрешности магнитного компаса на качке, в том числе в высоких широтах.

Реализация предлагаемого способа и устройства достигается путем дополнительной установки на котелок магнитного компаса, закрепленного в кардановом подвесе, датчика угловой скорости (далее - ДУС) с вертикальной осью чувствительности, что способствует выработке мгновенных значений магнитного курса путем интегрирования сигнала ДУС, свободного от погрешности δ_p., а затем и сигнала погрешности δ_p компаса на качке. Указанный сигнал погрешности δ_p. определяется как разница мгновенных значений магнитного курса, полученных от датчика магнитного курса компаса, и выработанных путем преобразований мгновенных значений результатов измерений ДУС. Для достижения технического результата полученное значение погрешности δ_p вычитается из результатов измерений датчика магнитного курса магнитного компаса (далее - ДМК) и передается на выносной индикатор.

На фиг. 1 показана блок - схема выработки измерительных сигналов и их обработки в вычислительном устройстве, работающем на основе предлагаемого способа.

Предлагаемый способ заключается в следующем:

1. Выработка с помощью ДМК сигнала о мгновенных значениях курса в горизонтной системе координат, состоящего из магнитного курса К_м, угла рыскания γ_p, и погрешности δ_p.

2. Выработка с помощью ДУС с вертикальной осью чувствительности, установленного в горизонтной системе координат на котелке компаса, сигнала угловой скорости изменения курса, состоящего из угловых скоростей изменения курса и рыскания , а также погрешности ДУС, характеризуемой его дрейфом. Указанное мгновенное значение сигнала угловой скорости вырабатывается с коэффициентом передачи К_ДУС.

3. Интегрирование сигнала ДУС с постоянной времени Т₁ и формирование на выходе интегратора сигнала, состоящего из магнитного курса К_м, угла рыскания γ_p, и постоянного значения погрешности Δ_ДУС.. При выполнении вычислений значение Т₁ выбирается исходя из задачи исключения погрешности от скорости дрейфа .

4. Вычисление разности между выходными сигналами ДМК и интегратора с целью формирования сигнала, состоящего из погрешности δ_p и погрешности Δ_ДУС.

5. Фильтрация значения погрешности Δ_ДУС с помощью фильтра высоких частот производится с постоянной времени T₂, величина которой принимается больше периода качки.

Коэффициенты K₁ и K₂ выбираются исходя из масштабных коэффициентов ДМК и ДУС, p - оператор дифференцирования.

1 - интегратор, 2 - фильтр высоких частот

6. Исключение из измеряемых мгновенных значений магнитного курса погрешности δ_p производится путем вычисления разности между выходным сигналом ДМК и сигналом с выхода фильтра высоких частот, пропорциональным погрешности δ_p. Передача откорректированного значения магнитного курса выполняется на выносной индикатор.

Предлагаемое для реализации способа устройство содержит: датчик магнитного курса, установленный в котелке магнитного компаса, закрепленном к нактоузу с помощью двухстепенного карданного подвеса, и выносной индикатор с вычислительным устройством. При этом ДМК включает картушку с МЧЭ и преобразователь курсовой для выработки электрического сигнала о курсе. На котелке компаса установлен ДУС с вертикальной осью чувствительности.

Устройство работает следующим образом:

ДМК вырабатывает сигнал мгновенного значения магнитного курса, состоящий из магнитного курса К_м, угла рыскания γ_p и погрешности от проекции вертикальной составляющей земного магнетизма δ_p., который подается на вход вычислительного устройства. ДУС с вертикальной осью чувствительности, установленный на котелке компаса, вырабатывает сигнал, пропорциональный угловой скорости изменения курса и рыскания с погрешностью и коэффициентом передачи К_ДУС, который также подается на вход вычислительного устройства. В вычислительном устройстве сигнал ДУС интегрируется и формируется сигнал, пропорциональный сумме значений K_M+γ_p+Δ_ДУС, который вычитается из сигнала ДМК. Оставшееся значение δ_p+Δ_ДУС подается на вход фильтра высоких частот, с выхода которого формируется сигнал, пропорциональный погрешности δ_p. Полученный сигнал погрешности δ_p вычитается из сигнала ДМК и подается на выносной индикатор.

Полученные на основе компьютерного моделирования результаты подтверждают возможность корректировки результатов измерений мгновенного значения магнитного курса за счет компенсации в нем погрешности от вертикальной составляющей земного магнетизма, возникающей на качке, не менее чем в десять раз, что позволяет использовать магнитный компас при плавании судов до 84° северной широты. Таким образом, заявленный технический результат достигнут. В настоящее время изготавливается опытный образец компаса.

Изобретение относится к области навигационного приборостроения и может быть использовано в высокоширотных магнитных компасах, имеющих погрешность на качке от воздействия на магниточувствительный элемент (МЧЭ) компаса вертикальной составляющей магнитного поля Земли, оборудованных устройствами дистанционной передачи информации о курсе. Способ заключается в том, что вырабатывают сигнал, состоящий из магнитного курса К_м, угла рыскания γ_p и систематической погрешности δ_p от проекции вертикальной составляющей земного магнетизма, затем с помощью датчика угловой скорости (ДУС) с вертикальной осью чувствительности, установленного на котелке компаса, вырабатывают сигнал, пропорциональный угловой скорости изменения магнитного курса и рыскания с погрешностью и коэффициентом передачи К_ДУС. Сигнал ДУС интегрируется и вычитается из сигнала датчика магнитного курса (ДМК) с целью выработки сигнала погрешности δ_p от влияния проекции вертикальной составляющей земного магнетизма на качке. При этом в результатах обработки присутствует постоянная составляющая от погрешности Δ_ДУС (проинтегрированный дрейф), которая фильтруется фильтром высоких частот с постоянной времени T₂ больше периода качки, после чего из сигнала ДМК вычитается сигнал, пропорциональный вертикальной составляющей земного магнетизма δ_p. Устройство реализует предложенный способ и состоит из датчика магнитного курса ДМК, включающего картушку с МЧЭ и преобразователь курсовой для выработки электрического сигнала о курсе, расположенные в котелке, на котором установлен ДУС. ДМК закреплен в кардановом подвесе, кроме того, устройство имеет выносной индикатор с вычислительным устройством. Технический результат - уменьшение погрешности магнитного компаса на качке, величина которой является значительной в высоких широтах. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ измерения мгновенного значения магнитного курса судна на качке при воздействии на магниточувствительный элемент (МЧЭ) компаса вертикальной составляющей магнитного поля Земли, заключающийся в выработке датчиком магнитного курса (ДМК) сигнала о магнитном курсе, состоящего из магнитного курса К_м, угла рыскания γ_р и погрешности δ_р, отличающийся тем, что с помощью датчика угловой скорости (ДУС) с вертикальной осью чувствительности, установленного в горизонтной системе координат на котелке компаса, вырабатывается сигнал угловой скорости изменения курса с коэффициентом передачи К_ДУС, состоящий из угловых скоростей изменения курса , рыскания и погрешности ДУС, характеризуемой его дрейфом, сигнал ДУС интегрируется и на выходе интегратора формируется сигнал, состоящий из магнитного курса К_м, угла рыскания γ_р и постоянного значения погрешности Δ_ДУС, вычисляется разность между выходными сигналами ДМК и интегратора для формирования сигнала, состоящего из погрешности δ_р и погрешности Δ_ДУС, осуществляется фильтрация значения погрешности Δ_ДУС с помощью фильтра высоких частот, на выходе фильтра высоких частот формируется сигнал, пропорциональный погрешности δ_р, затем производится вычисление разности между выходным сигналом ДМК и погрешностью δ_р, откорректированное значение магнитного курса передается на выносной индикатор.

2. Устройство для реализации способа измерения мгновенного значения магнитного курса судна на качке в высоких широтах, состоящее из датчика магнитного курса (ДМК), включающего картушку с МЧЭ и преобразователь курсовой, расположенного в котелке магнитного компаса, закрепленном к нактоузу с помощью карданового подвеса, и выносного индикатора с вычислительным устройством, отличающееся тем, что на котелок компаса устанавливается датчик угловой скорости с вертикальной осью чувствительности, сигнал угловой скорости изменения курса с которого поступает в вычислительное устройство, а с вычислительного устройства на выносной индикатор передается значение магнитного курса без погрешности от вертикальной составляющей земного магнетизма, возникающей на качке.