Способ автономного определения уходов платформы трехосного гиростабилизатора Российский патент 2020 года по МПК G01C21/18 

Изобретение относится к области гироскопических систем и может быть использовано для компенсации погрешностей гиростабилизаторов, применяемых в навигационных системах.

Точность навигационных систем, реализуемая в условиях эксплуатации, в значительной степени зависит от стабильности углового положения платформы гиростабилизатора в инерциальном пространстве. В частности уходы платформы относительно горизонтальных осей подвеса могут оказывать существенное влияние на точность определения навигационных параметров.

Уходы платформы от исходного положения зависят от возмущающих моментов, действующих относительно осей прецессии гироскопов. Учет влияния этих моментов обычно осуществляется путем определения систематических составляющих, вызываемых различными физическими причинами, по результатам наземных испытаниях гироскопов. Известны два вида испытаний гироскопа в замкнутой системе [1]. В одном случае реализуется схема одноосного гиростабилизатора, платформой которого служит поворотный стол стенда, неподвижно связанного с Землей. Ось вращения стола (ось стабилизации) совпадает с вектором угловой скорости вращения Земли. Стол может наклоняться относительно оси цапф стенда, совпадающей с направлением на запад. Измерение уходов гироскопа производится путем регистрации по времени значений углов поворота стола относительно Земли. Разности угловых скоростей стола и соответствующих составляющих угловой скорости Земли при различных положениях стола относительно Земли представляют собой скорости собственного ухода гироскопа в инерциальном пространстве. Изменение исходных положений поворотного стола позволяет разделять уходы на составляющие, вызванные моментами, зависящими и независящими от перегрузки.

Проведение калибровок отдельных составляющих моментов способствует разработке гироскопов с приемлемыми характеристиками и дает возможность априорно определять и учитывать их влияние в условиях применения навигационных систем. Недостатками являются сложность испытательного оборудования, высокие требования к точности выставки осей вращения и наклона стола и осей гироскопа относительно Земли, привлечение внешних высокоточных измерительных устройств.

Другой вид испытаний гироскопов в замкнутой системе основан на применении режима обратной связи по моменту и может проводиться на таком же поворотном столе (ось прецессии гироскопа при этом устанавливается параллельно оси поворотного стола). Датчик угла гироскопа связан обратной связью с датчиком момента (режим ДУС). По величине тока обратной связи определяется момент, действующий относительно оси прецессии. Этот вид испытаний имеет те же недостатки, что и рассмотренный выше.

Известны способы определения уходов платформы при функционировании трехосного гиростабилизатора в инерциальном режиме, основанные на измерении видимых уходов [2, 3]. В одном из способов платформу фиксируют в азимуте, для измерения углов поворота платформы относительно основания (Земли) используют датчики команд на горизонтальных осях X и Z подвеса. В этом случае скорость видимого ухода платформы относительно оси X может быть представлена в виде

где

Ω_з - угловая скорость вращения Земли;

λ - широта места испытаний;

А - азимут оси X подвеса платформы;

ω_х - абсолютная скорость ухода платформы относительно оси X:

ω_х=М_вх/Н,

М_вх - возмущающий момент, действующий по оси прецессии гироскопа системы стабилизации платформы относительно оси X;

Н - кинетический момент гироскопа.

Скорость видимого ухода платформы относительно оси Z можно представить в виде

где

ω_z - абсолютная скорость ухода платформы относительно оси Z:

- возмущающий момент, действующий по оси прецессии гироскопа системы стабилизации платформы относительно оси Z;

Значения скоростей видимых уходов и вычисляются по углам α_xt и α_zt поворота платформы относительно основания (Земли), измеряемым датчиками команд за определенное время t измерений:

Если в месте испытаний известны широта λ, и азимут А, то абсолютные скорости уходов платформы относительно горизонтальных осей можно определять по формулам

К недостаткам способа следует отнести низкую разрешающую способность датчика команд (что требует большого времени измерений), а также необходимость знания азимута А и широты λ в месте испытаний. На точность способа могут негативно сказаться возможные угловые движения основания и платформы.

Другой способ отличается от изложенного только тем, что видимые уходы измеряются с помощью акселерометров, что обеспечивает более высокую точность определения скорости видимых уходов платформы. Для позиционных маятниковых акселерометров горизонтальных каналов связь дискретных выходных сигналов с видимыми уходами в установившемся состоянии при малых углах отклонений платформы можно представить в виде

f_x=k_agα_x, f_z=k_agα_z,

где

f_x, f_z - частота импульсов выходных сигналов;

k_a - масштабный коэффициент акселерометра по частоте;

g - ускорение силы тяжести.

Недостатки способа те же, что и в рассмотренном выше способе. Следует отметить чувствительность акселерометров к вибрациям платформы, что может влиять на точность измерений.

Способ определения уходов платформы ТГС в инерциальном режиме, использующий акселерометры для измерения видимых уходов, был принят в качестве ближайшего аналога.

Целью настоящего изобретения является: упрощение измерительной системы, сокращение времени определения уходов и повышение помехозащищенности системы.

Поставленная задача решается тем, что определение уходов предлагаемым способом проводят в произвольном азимутальном положении платформы ТГС, в алгоритмах не учитывают значения исходного азимута, уходы платформы относительно вертикальной оси определяют по токам коррекции в режиме «памяти», уходы платформы относительно горизонтальных осей определяют в инерциальном режиме по информации с датчиков углов гироскопов горизонтальных каналов и информации о токах коррекции в датчике моментов азимутального гироскопа.

Для пояснения сущности предлагаемого способа рассмотрим уравнения движения системы стабилизации платформы в инерциальном пространстве для горизонтальных каналов. При этом будем полагать, что в горизонтальном положении платформы оси прецессии гироскопов вертикальны. Такое расположение гироскопов обычно выбирается с целью уменьшения возмущающих моментов относительно осей прецессии гироскопов из-за разбалансировки. Уравнения движения системы стабилизации платформы для одной из горизонтальных осей могут быть представлены в виде уравнений моментов относительно оси подвеса платформы и оси прецессии гироскопа

где

I_x, I - моменты инерции платформы и гироскопа;

ω_х - абсолютная скорость ухода платформы относительно оси X;

β_х - угол поворота гироскопа относительно платформы;

Ω_в - вертикальная составляющая угловой скорости вращения Земли;

d_x, d - коэффициенты вязкого трения по оси подвеса и оси прецессии;

с - коэффициент моментов позиционной связи гироскопа с платформой;

М_х, М_вх -возмущающие моменты относительно оси подвеса платформы и оси прецессии гироскопа;

- момент, создаваемый двигателем стабилизации.

Из уравнения (4) видно, что при использовании режима «памяти» по азимуту на движение платформы относительно горизонтальной оси подвеса влияет вертикальная составляющая угловой скорости вращения Земли Ω_в. Для исключения этого влияния можно воспользоваться результатами определения ухода платформы относительно вертикальной оси подвеса в режиме азимутальной коррекции. Для установившегося состояния системы азимутальной коррекции справедливы уравнения моментов

где

ω_у - абсолютная скорость ухода платформы относительно вертикальной оси;

М_ву - возмущающий момент относительно оси прецессии азимутального гироскопа;

М_дм - момент коррекции, создаваемый в датчике моментов азимутального гироскопа: М_дм=k_дмi_у,

k_дм - коэффициент передачи датчика моментов;

i_y - токи коррекции, протекающие в обмотках датчика моментов.

Соотношение (6) можно представить в виде

где - угловая скорость вращения платформы относительно Земли,

ω_дру=М_ву/Н - скорость собственного ухода гироскопа. Так как в режиме азимутального приведения то в результате определяют

Влияние гироскопического момента HΩ_в исключают физически путем введения на ось подвеса X компенсирующего момента В принципе влияние момента HΩ_в можно учитывать алгоритмически, то-есть непосредственно в алгоритмах оценивания, не определяя уходы платформы относительно вертикальной оси подвеса в режиме азимутальной коррекции.

Для получения необходимых соотношений, позволяющих определять уходы платформы относительно горизонтальных осей, рассмотрим уравнения (4), (5) в установившемся состоянии, полагая в них и учитывая компенсацию момента HΩ_в:

Исключая из этих уравнений ω_х, найдем выражение для скорости собственного ухода гироскопа

Анализ уравнения (4) с учетом компенсации момента HΩ_в показывает, что в процессе угловой стабилизации платформы уходы формируются в основном гироскопическим моментом и оценку скорости ухода можно проводить путем решения укороченного уравнения

используя информацию с датчика углов гироскопов.

В установившемся состоянии значения несущественны и из уравнения (8), получим другое соотношение для оценки скорости ухода

Отсюда следует, что в установившемся состоянии возмущающий момент М_х не полностью компенсируется моментом, создаваемым двигателем стабилизации. Если скорость ухода ω_х известна, то из (12) можно найти значение возмущающего момента М_х, учитывая, что момент создаваемый двигателем стабилизации, является известной функцией углов (поворота гироскопа:

Поскольку момент d_xω_x<<М_х, то для определения ω_х можно сначала найти значения возмущающего момента М_х как функцию времени, используя уравнение (4) в виде а результаты затем применить в конечной формуле (12).

Значение скорости собственного ухода гироскопа можно определить по формуле (10). Видно, что в установившемся состоянии скорость собственного ухода гироскопа в виду малости и β_х незначительно отличается от скорости ухода платформы ω_х относительно оси стабилизации.

Определение уходов по другой горизонтальной оси Z проводится по аналогичным формулам с заменой индекса х на индекс z.

Сравнительный анализ существенных признаков известного способа определения азимута по видимым уходам и предлагаемого способа показывает, что предлагаемый способ азимутальной ориентации отличается тем, что в предлагаемом способе отпадает необходимость в использовании акселерометров, не требуется знание азимута платформы в месте испытаний, что упрощает измерительную систему и сокращает время определения уходов. Применение гироскопов в качестве измерителей делает систему более виброустойчивой, чем при использовании акселерометров, что способствует повышению точности. Отсутствие связи платформы и гироскопов с Землей при использовании режима «памяти» и инерциального режима также способствует повышению помехозащищенности измерительной системы, позволяет применять способ в условиях возможных смещений основания ТГС.

Поставленная в предлагаемом способе цель достигается тем, что определение уходов проводят в произвольном положении платформы в азимуте, в алгоритмах не учитывают исходный азимут, скорости ухода платформы относительно горизонтальных осей и скорости собственного ухода гироскопов горизонтальных каналов определяют по информации о сигналах, снимаемых с датчиков углов гироскопов горизонтальных каналов системы стабилизации платформы, и информации о токах коррекции в датчике моментов азимутального гироскопа.

Таким образом, предложенный способ определения уходов платформы ТГС имеет новизну. Авторам неизвестна совокупность существенных признаков, применяемых для решения данной технической задачи, что соответствует критерию «изобретательский уровень».

Источники информации:

1. Ригли У. и др. Теория, проектирование и испытания гироскопов. М.: Мир, 1972.

2. Хлебников Г.А. Начальная выставка инерциальных гироскопических систем. М.: ВАД, 1994.

3. Назаров Б.И., Хлебников Г.А. Гиростабилизаторы ракет.М: МО СССР, 1975.

Изобретение относится к области гироскопических систем и может быть использовано для компенсации уходов платформы трехосных гиростабилизаторов, применяемых в навигационных системах. Технический результат – расширение функциональных возможностей. Определение уходов в азимутальном канале производят в режиме «памяти», в горизонтальных каналах в инерциальном режиме. Для определения уходов по горизонтальным осям используется информация с датчиков углов гироскопов горизонтальных каналов и информация о токах коррекции в датчике моментов азимутального гироскопа. Измерение уходов проводят в произвольном исходном положении платформы в азимуте, знание азимута не требуется. Таким образом обеспечивается расширение функциональных возможностей платформ трехосных гиростабилизаторов на основе упрощения измерительной системы, сокращения времени определения уходов и повышения помехозащищенности системы.

Способ автономного определения уходов платформы трехосного гиростабилизатора, заключающийся в том, что используют режим приведения платформы в азимут и в горизонт, уходы относительно вертикальной оси подвеса платформы определяют в режиме «памяти», отличающийся тем, что определение уходов по горизонтальным осям осуществляют по видимым уходам, скорости ухода платформы относительно горизонтальных осей и скорости собственного ухода гироскопов горизонтальных каналов определяют по информации о сигналах, снимаемых с датчиков углов гироскопов горизонтальных каналов системы стабилизации платформы.