СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АЗИМУТА И ДИНАМИЧЕСКИЙ ГИРОКОМПАС Российский патент 2021 года по МПК G01C19/38 

Изобретение относится к области приборостроения, а именно к гирокомпасам.

В настоящее время для автономного определения азимута широко применяются гирокомпасы (ГК), построенные на базе гироскопов различной физической природы. Среди них выделяются ГК на лазерных гироскопах (ЛГ), обладающие высокой стойкостью к вибрационным, ударным перегрузкам, климатическим воздействиям по сравнению с механическими гироскопами и обеспечивающие лучшую стабильность смещения нуля и масштабного коэффициента в широком диапазоне температур по сравнению с волоконно-оптическими гироскопами (ВОГ).

Для многих применений ЛГ считается оптимальным прибором с точки зрения цены и качества. Однако в связи с наличием явления захвата встречных частот в ЛГ применяются частотные подставки на различных физических принципах, которые можно разделить на две группы - магнитооптические подставки и виброподставки. Виброподставка является источником шума в измерениях, а магнитооптические подставки приводят к существенному повышению чувствительности погрешностей измерений к внешнему магнитному полю, что является недостатком существующих ЛГ.

Задачей ГК является определение угла между проекцией измерительной оси гирокомпаса (ИО ГК) в плоскости местного горизонта и направлением на север. Существует два подхода к решению этой задачи - статический и динамический методы.

Статический метод, также широко известный как метод двойного гирокомпасирования, заключается в последовательном проведении трех и более измерений с разворотом оси чувствительности гироскопа на 180° между каждым измерением и накоплением данных в каждом из измерений в течение определенного промежутка времени [Голяев Ю., Исаев А., Колбас Ю., Лантратов С., Минзар В., Телегин Г. Гирокомпас на основе лазерного гироскопа с магнитооптическим управлением // Электроника: наука, технология, бизнес. - №8 (74). - 2006. - С. 66-71], что позволят устранить влияние систематических погрешностей гироскопа. Недостатком такого решения является необходимость использования высокоточного средства углового позиционирования оси чувствительности ЛГ в составе ГК, а также затраты времени на проведение высокоточного позиционирования, которые сокращают время измерения с помощью ЛГ в общем времени проведения гирокомпасирования.

Метод динамического гирокомпасирования подразумевает вращение гироскопа с постоянной угловой скоростью на платформе. Известны идеи применения вращения лазерного гироскопа в гирокомпасе с целью вывода его рабочей точки из зоны захвата. Подобное вращение позволяет отказаться от использования виброподставки в конструкции ЛГ. В работе [Черемисенов Г.В. Опыт разработки гирокомпаса на основе вращающегося лазерного гироскопа // Гироскопия и навигация. - Т. 25, №3(98). - 2017. - С. 49-59] исследовалась работа ГК на базе ЛГ, вращающегося вокруг горизонтальной оси, с отключенной виброподставкой. Ось чувствительности ЛГ выставлялась точно по его оси вращения с дальнейшим измерением азимута по трехточечной схеме с разворотом оси чувствительности ЛГ на 180° между каждым измерением, т.е. по сути был применен метод двойного гирокомпасирования. Недостатком предложенного решения является большая скорость вращения ЛГ, что приводит к высоким требованиям по стабильности масштабного коэффициента. Так как для автокомпенсации погрешностей ЛГ применен метод двойного гирокомпасирования, то проявляются его недостатки: необходимо использовать высокоточное средство углового позиционирования вращающейся оси чувствительности ЛГ, присутствуют дополнительные затраты времени на проведение высокоточного позиционирования ЛГ, которые в свою очередь сокращают время измерения с помощью ЛГ в общем времени проведения гирокомпасирования.

Наиболее близким по технической сути к предлагаемому изобретению является способ определения направления истинного меридиана и волоконно-оптический гирокомпас по патенту РФ №2115889. В способе определения истинного меридиана и ГК на ВОГ для уменьшения полного времени определения азимута и отказа от сложной системы позиционирования по углу платформы было применено вращение ВОГ с постоянной угловой скоростью, при этом ось чувствительности ВОГ сохранялась перпендикулярной оси вращения платформы с небольшим допуском на фиксированное отклонение от этой нормали. Выше было указано о преимуществах применения ЛГ в составе ГК по сравнению с ВОГ. Однако при применении в известном способе определения направления истинного меридиана и волоконно-оптическом гирокомпасе вместо ВОГ ЛГ в связи с наличием в составе ЛГ устройства, устраняющего или уменьшающего влияние эффекта захвата встречных волн в кольцевом резонаторе, а именно, виброподставки, возникают существенные недостатки ГК: из-за наличия шумов со стороны виброподставки снижается точность определения азимута гирокомпасом, увеличивается полное время проведения измерений из-за необходимости эффективной фильтрации.

Технической задачей, на которую направлено заявляемое изобретение, является повышение точности, снижение уровня шумов при проведении измерений ГК на базе ЛГ и сокращение полного времени определения азимута.

Поставленная техническая задача решается тем, что в способе определения азимута, при котором осуществляют поворот гироскопа вокруг оси, перпендикулярной плоскости горизонта, причем поворот гироскопа осуществляют посредством его вращения с постоянной угловой скоростью (постоянной частотой вращения), производят измерение выходного сигнала гироскопа и определяют азимут, в качестве гироскопа используют лазерный гироскоп, который устанавливают таким образом, чтобы его вектор чувствительности был направлен под заданным ненулевым углом к плоскости горизонта, при этом лазерный гироскоп не имеет в своей конструкции устройства, устраняющего или уменьшающего влияние эффекта захвата встречных волн в кольцевом резонаторе, при определении азимута проводят интегрирование выходного сигнала лазерного гироскопа в процессе вращения относительно нулевого положения и положения, отстоящего от нулевого на 90°, производят фиксацию полного оборота лазерного гироскопа относительно нулевого положения и положения, отстоящего от нулевого на 90°, с помощью датчика углового положения, установленного на оси вращения лазерного гироскопа, по завершении соответствующего полного оборота производят оценку величин cosψ и sinψ, где ψ - искомый угол азимута, а угол азимута определяют по выражению:

где C_ψ=cosψ, S_ψ=sinψ.

Поставленная техническая задача решается тем, что в гирокомпасе, содержащем гироскоп, установленный на платформе устройства вращения с возможностью поворота с постоянной угловой скоростью вокруг оси, перпендикулярной плоскости горизонта, датчик угла поворота, блок обработки, причем выход гироскопа соединен с входом блока обработки, а другой вход блока обработки соединен с выходом датчика угла поворота, вход которого соединен с платформой устройства вращения, согласно изобретению, в качестве гироскопа используется лазерный гироскоп, ось чувствительности которого направлена под заданным ненулевым углом к плоскости горизонта, причем лазерный гироскоп не имеет в своей конструкции устройства, устраняющего или уменьшающего влияние эффекта захвата встречных волн в кольцевом резонаторе, а блок обработки содержит первый и второй блоки интегрирования, блок фиксации полного оборота лазерного гироскопа относительно нулевого положения и блок фиксации полного оборота лазерного гироскопа относительно положения, отстоящего от нулевого на 90°, блок вычисления азимута, причем выход лазерного гироскопа соединен с первым входом первого блока интегрирования и первым входом второго блока интегрирования, вторые входы которых соединены соответственно с выходом блока фиксации полного оборота лазерного гироскопа относительно нулевого положения и выходом блока фиксации полного оборота лазерного гироскопа относительно положения, отстоящего от нулевого на 90°, входы которых соединены с выходом датчика угла поворота, а выходы блоков интегрирования соединены с блоком вычисления азимута.

В варианте реализации устройства датчик угла поворота может быть реализован на втором лазерном гироскопе, не имеющем в своей конструкции устройства, устраняющего или уменьшающего влияние эффекта захвата встречных волн в кольцевом резонаторе, причем ось чувствительности второго лазерного гироскопа установлена по оси вращения платформы.

Изобретение поясняется чертежами, на которых представлены:

фиг. 1 - схема предлагаемого динамического гирокомпаса;

фиг. 2 - схема расположения осей и систем координат динамического гирокомпаса при определении азимута.

фиг. 3 - схема варианта реализации предлагаемого динамического гирокомпаса при использовании в качестве датчика угла поворота второго ЛГ, ось чувствительности которого установлена по оси вращения платформы.

На фиг. 1 изображен приборный состав динамического гирокомпаса, работающего с применением предлагаемого способа. Предлагаемый динамический гирокомпас включает: лазерный гироскоп 1, расположенный на платформе 2 с устройством вращения 3, которая для проведения сеанса измерений горизонтируется с нормируемой погрешностью. В лазерном гироскопе 1 отсутствует устройство, устраняющее или уменьшающее влияние эффекта захвата встречных волн в кольцевом резонаторе (на фиг. 1 не показано), т.е. виброподставка кольцевого резонатора ЛГ 1 не используется. Кольцевой резонатор ЛГ 1 непосредственно жестко крепится к платформе 2 ГК. ЛГ 1 с платформой 2 с помощью устройства вращения 3 вращается вокруг оси, нормальной к платформе 2, с заданной скоростью. Ось чувствительности (ОЧ) (вектор чувствительности) ЛГ 1 образует с платформой 2 номинально заданный угол (положительный отсчет - вверх), значение которого определяется на этапе предварительной калибровки. Угол поворота ЛГ 1 относительно так называемого «нулевого отсчета», соответствующего направлению ИО ГК, измеряется с высокой частотой негироскопическим высокоточным датчиком угла относительного поворота (ДУП) 4, соединенного с платформой 2 устройства вращения 3. Сигнал U_x ЛГ 1 поступает в блок обработки 5, на другой вход которого поступает сигнал ДУП 4. В блоке обработки 5 реализованы первый 6 и второй 7 блоки интегрирования, блок 8 фиксации полного оборота ЛГ 1 относительно нулевого положения и блок 9 фиксации полного оборота ЛГ 1 относительно положения, отстоящего от нулевого на 90°, блок вычисления азимута 10. Сигнал U_x ЛГ 1 поступает на первый вход первого блока интегрирования 6 и на первый вход второго блока интегрирования 7. На вход блока 8 фиксации полного оборота лазерного гироскопа 1 относительно нулевого положения и на вход блока 9 фиксации полного оборота лазерного гироскопа 1 относительно положения, отстоящего от нулевого на 90°, поступает сигнал ДУП 4. Сигнал с выхода блока 8 фиксации полного оборота ЛГ 1 относительно нулевого положения поступает на второй вход первого блока интегрирования 6, а сигнал блока 9 фиксации полного оборота ЛГ 1 относительно положения, отстоящего от нулевого на 90°, поступает на второй вход второго блока интегрирования 7. Сигналы первого 6 и второго 7 блоков интегрирования подаются в блок вычисления азимута 10. В блоке вычисления азимута 10 вырабатывается информация об азимуте ИО ГК, которая передается потребителю.

При вращении платформы 2 с постоянной скоростью проекция угловой скорости вращения на ось чувствительности ЛГ 1 за счет отклонения последней на ненулевой угол от плоскости платформы 2 выводит рабочую точку измерений ЛГ 1 из зоны захвата встречных волн кольцевого резонатора, обеспечивая работу ЛГ 1 без использования устройства, устраняющего или уменьшающего влияние эффекта захвата встречных волн в кольцевом резонаторе, например, без виброподставки.

Рассмотрим работу ГК по предлагаемому способу.

Методика проведения измерений для оценки угла азимута состоит в следующем.

Для измерений используется информация ЛГ 1. Сбор и обработка информации с ЛГ 1 осуществляется дважды: первый раз относительно нулевого положения, второй раз - относительно положения, отстоящего от нулевого на 90°, когда ЛГ 1 повернется вместе с платформой 2 на 90° (определяется по измерениям ДУП 4). Оба накопления осуществляются в процессе перманентного вращения одновременно.

Перед проведением измерений платформа 2 горизонтируется с заданной погрешностью. Если данная операция не выполняется, то после включения прибора в течение малого промежутка времени совершается один поворот ЛГ 1 с фиксацией неподвижного положения (на протяжении 5 с) через каждые 45° для измерения не вертикальности и прецессии (изменения вертикальности) оси вращения ЛГ 1. Такие измерения могут проводиться, например, с помощью акселерометров, установленных на платформе 2. По этим данным для 04 лазерного гироскопа 1 относительно нулевого положения (фиг. 2) алгоритмически строится зависимость угла отклонения от горизонтальной плоскости θ

где - номинальное значение соответствующего угла;

δα₁ - малое отклонение фактического значения угла от номинального, возникающее вследствие неточного горизонтирования платформы 2 и возможной прецессии оси вращения;

θ - измеряемый с помощью ДУП 4 угол относительного поворота ЛГ 1 вокруг оси платформы 2.

Аналогичная зависимость строится относительно положения, отстоящего от нулевого на 90°:

где - номинальное значение соответствующего угла;

δα₂ - малое отклонение фактического значения угла от номинального,

возникающее вследствие неточного горизонтирования платформы 2 и возможной прецессии оси вращения.

Далее зависимости (1), (2) используются в обработке гироскопических измерений.

После совершения первого оборота без остановки в исходном положении (чтобы исключить участок разгона) осуществляется вращение ЛГ 1 с номинально постоянной угловой скоростью ν. Начиная с момента прохождения через точку «нулевого отсчета», в темпе реального времени проводится обработка измерений ЛГ 1. После каждого полного оборота, контролируемого ДУП 4 и блоками 8 и 9 фиксации полного оборота ЛГ 1 относительно нулевого положения и фиксации полного оборота ЛГ 1 относительно положения, отстоящего от нулевого на 90°, по совокупности всех предшествующих измерений вырабатывается оценка начального значения угла курса ψ ИО ГК.

Пусть ОЧ ЛГ 1 отклонена от горизонтальной плоскости на угол α₁, а ее проекция на горизонтальную плоскость в исходном состоянии соответствует нулевому отсчету угла относительного поворота и образует с направлением на север подлежащий определению угол курса ψ. При вращении ЛГ 1 вокруг оси платформы 2 с заданной угловой скоростью ν (условно примем положительное направление вращения по часовой стрелке) мгновенные измерения ЛГ 1 относительно нулевого положения можно представить в виде:

где Ω_N=Ω⋅cos ϕ, Ω_h=Ω⋅sin ϕ - проекции угловой скорости вращения Земли на северную и вертикальную оси местной географической системы координат (СК);

δk₁ - квазистационарная погрешность масштабного коэффициента ЛГ 1;

δΩ₁ - квазистационарная составляющая аддитивной ошибки измерений ЛГ 1;

- магнитная составляющая ошибки измерения, зависящая от текущего азимута ψ+ν⋅t;

t - текущее время, отсчитываемое от момента первого прохождения точки «нулевого отсчета» (нулевого положения);

α₁(θ) - зависимость угла между ОЧ ЛГ 1 и горизонтальной плоскостью от угла относительного поворота θ(t)=ν⋅t, полученная на начальном этапе работы по измерениям акселерометров, как описано выше, или на этапе предварительной калибровки прибора;

ξ₁(t) - шум измерений ЛГ 1.

Для измерений ЛГ 1 относительно положения, отстоящего от нулевого на 90°, которое образует с нулевым положением угол ρ=π/2+δρ, где δρ - погрешность определения положения, отстоящего от нулевого на 90°, модель измерений аналогичная:

Измерения проводятся и обрабатываются с достаточно высокой частотой обновления, например, 10000 Гц.

Располагая обновляемыми измерениями (3), (4), а также значениями широты, относительной угловой скорости вращения ν (она может уточняться по измерению с помощью ДУП 4 и блоков 8 и 9 фиксации полного оборота ЛГ 1 относительно нулевого положения и фиксации полного оборота ЛГ 1 относительно положения, отстоящего от нулевого на 90°, фактического угла относительного поворота θ=ν⋅t), и зависимостями углов α₁(θ), α₂(θ), можно вычислить угол соответствующий углу между направлением на север и «нулевым отсчетом» платформы 2:

где - двузначная функция своего аргумента,

C_ψ=cosψ, S_ψ=sinψ,

Численное интегрирование для формул (6), (7) осуществляется непрерывно, в течение всего сеанса гирокомпасирования, при этом достоверными являются только значения угла курса, получаемые по (5) в моменты совершения платформой 2 очередного полного оборота.

В варианте реализации устройства в качестве ДУП 4 платформы 2 можно установить второй лазерный гироскоп 11 (фиг. 3) осью чувствительности вертикально, чтобы с высокой точностью и малым шумом измерять скорость вращения платформы 2. Сигнал U_z лазерного гироскопа 11 поступает в блок обработки 5 на вход блока 8 фиксации полного оборота ЛГ 1 относительно нулевого положения и на вход блока 9 фиксации полного оборота лазерного гироскопа относительно положения, отстоящего от нулевого на 90°. В этом случае отпадает необходимость скорость вращения оценивать по измерениям ДУП 4, шум которого может влиять на точность курсоопределения. При этом второй лазерный гироскоп 11 не имеет в своей конструкции устройства, устраняющего или уменьшающего влияние эффекта захвата встречных волн в кольцевом резонаторе.

Таким образом, за счет вращения ЛГ 1 с постоянной угловой скоростью на поворотной платформе 2 с ориентацией оси чувствительности ЛГ 1 под заданным ненулевым углом к плоскости горизонта, использования малогабаритного ЛГ 1 без виброподвеса, отсутствия необходимости использования прецизионной системы позиционирования по углу поворота платформы 2 с ЛГ 1, применения специального алгоритма обработки информации обеспечиваются реализация способа определения азимута и создание высокоточного динамического гирокомпаса на лазерном гироскопе с повышенной точностью, пониженным уровнем шумов и уменьшенным полным временем определения азимута.

Проведены экспериментальные исследования и моделирование работы ГК, подтверждающие улучшение характеристик устройства. При моделировании использованы измерения трехосного ЛГ с осями чувствительности, расположенными по конусу с осью, совпадающей с вертикальной осью прибора, и трех ортогонально расположенных акселерометров (прибор - инерциальный блок лазерный (ИБЛ) АО «Раменский приборостроительный завод» из состава БИНС-05Л (АО «ЛАЗЕКС»)). При вращении БИНС с ИБЛ вокруг вертикальной оси резонаторы ЛГ совершают вращение вокруг своей оси симметрии, совпадающей с ОЧ. Тем самым создаются условия для устранения зоны захвата без вибрационной подставки (механическая вибрационная подставка отключалась). Для динамического гирокомпасирования реализовывался режим непрерывного вращения ИБЛ с относительной скоростью 10°/с. Для фиксации совершения полного оборота (прохождение через условно нулевое положение) в момент обновления инерциальных данных использовалось значение счетчика, формируемого по сигналу с датчика угла поворота стола. Это значение использовалось при вычислениях. При реализации метода двойного гирокомпасирования (автокомпенсация с поворотами на 180 град.) в ЛГ включалась механическая вибрационная подставка для исключения зоны захвата.

На основе проведенных исследований в различных запусках подтверждена эффективность предлагаемого динамического гирокомпаса (с методом динамического гирокомпасирования) в сравнении с известными устройствами (с методом двойного гирокомпасирования). Получено, что повторяемость результатов в макете динамического гирокомпаса на базе ИБЛ без использования виброподставки ЛГ в различных запусках для предлагаемого гирокомпаса (с методом динамического гирокомпасирования) примерно в 2 раза выше, чем для макета гирокомпаса на базе ИБЛ с традиционным методом двойного гирокомпасирования с использованием виброподставки ЛГ.

Использование: для определения азимута. Сущность изобретения заключается в том, что при определении азимута лазерный гироскоп, который не имеет в своей конструкции устройства, устраняющего или уменьшающего влияние эффекта захвата встречных волн в кольцевом резонаторе, устанавливают таким образом, чтобы его вектор чувствительности был направлен под заданным ненулевым углом к плоскости горизонта, и осуществляют его поворот вокруг оси, перпендикулярной плоскости горизонта путем вращения с постоянной угловой скоростью (постоянной частотой вращения), в процессе вращения производят измерение и интегрирование выходного сигнала лазерного гироскопа относительно нулевого положения и положения, отстоящего от нулевого на 90°, после завершения полного оборота лазерного гироскопа относительно нулевого положения и положения, отстоящего от нулевого на 90°, по результатам интегрирования оценивают величины cosψ и sinψ, где ψ – искомый угол азимута, и определяют азимут с помощью выражения. В динамическом гирокомпасе, содержащем лазерный гироскоп, установленный на платформе устройства вращения с возможностью поворота с постоянной угловой скоростью вокруг оси, перпендикулярной плоскости горизонта, ось чувствительности лазерного гироскопа направлена под заданным ненулевым углом к плоскости горизонта. Поворотная платформа вращается с постоянной угловой скоростью вокруг оси, перпендикулярной плоскости горизонта, что позволяет отказаться от использования в составе лазерного гироскопа устройства, устраняющего или уменьшающего влияние эффекта захвата встречных волн в кольцевом резонаторе. В варианте реализации устройства в качестве датчика угла поворота платформы может использоваться второй лазерный гироскоп без устройства, устраняющего или уменьшающего влияние эффекта захвата встречных волн в кольцевом резонаторе, установленный по оси платформы. Технический результат: обеспечение снижения уровня шумов чувствительного элемента гирокомпаса, повышение точности и скорости измерения азимута гирокомпасом. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ определения азимута, при котором осуществляют поворот гироскопа вокруг оси, перпендикулярной плоскости горизонта, причем поворот гироскопа осуществляют посредством его вращения с постоянной угловой скоростью (постоянной частотой вращения), производят измерение выходного сигнала гироскопа и определяют азимут, отличающийся тем, что в качестве гироскопа используют лазерный гироскоп, который устанавливают таким образом, чтобы его вектор чувствительности был направлен под заданным ненулевым углом к плоскости горизонта, при этом лазерный гироскоп не имеет в своей конструкции устройства, устраняющего или уменьшающего влияние эффекта захвата встречных волн в кольцевом резонаторе, при определении азимута проводят интегрирование выходного сигнала лазерного гироскопа в процессе вращения относительно нулевого положения и положения, отстоящего от нулевого на 90°, производят фиксацию полного оборота лазерного гироскопа относительно нулевого положения и положения, отстоящего от нулевого на 90°, с помощью датчика углового положения, установленного на оси вращения лазерного гироскопа, по завершении соответствующего полного оборота производят оценку величин cosψ и sinψ, где ψ - искомый угол азимута, а угол азимута определяют по выражению:

где С_ψ=cosψ, S_ψ=sinψ.

2. Динамический гирокомпас, содержащий гироскоп, установленный на платформе устройства вращения с возможностью поворота с постоянной угловой скоростью вокруг оси, перпендикулярной плоскости горизонта, датчик угла поворота, блок обработки, причем выход гироскопа соединен с входом блока обработки, а другой вход блока обработки соединен с выходом датчика угла поворота, вход которого соединен с платформой устройства вращения, отличающийся тем, что в качестве гироскопа используется лазерный гироскоп, ось чувствительности которого направлена под заданным ненулевым углом к плоскости горизонта, причем лазерный гироскоп не имеет в своей конструкции устройства, устраняющего или уменьшающего влияние эффекта захвата встречных волн в кольцевом резонаторе, а блок обработки содержит первый и второй блоки интегрирования, блок фиксации полного оборота лазерного гироскопа относительно нулевого положения, блок фиксации полного оборота лазерного гироскопа относительно положения, отстоящего от нулевого на 90°, блок вычисления азимута, причем выход лазерного гироскопа соединен с первым входом первого блока интегрирования и первым входом второго блока интегрирования, вторые входы которых соединены соответственно с выходом блока фиксации полного оборота лазерного гироскопа относительно нулевого положения и выходом блока фиксации полного оборота лазерного гироскопа относительно положения, отстоящего от нулевого на 90°, входы которых соединены с выходом датчика угла поворота, а выходы блоков интегрирования соединены с блоком вычисления азимута.

3. Динамический гирокомпас по п. 2, отличающийся тем, что датчик угла поворота реализован на втором лазерном гироскопе, не имеющем в своей конструкции устройства, устраняющего или уменьшающего влияние эффекта захвата встречных волн в кольцевом резонаторе, причем ось чувствительности второго лазерного гироскопа установлена по оси вращения платформы.