Способ измерения магнитного курса судна в высоких широтах Российский патент 2021 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_р 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;

l₀ - длина маятника с периодом колебания, соответствующим периоду колебаний судна;

i - угол поперечного крена судна;

θ - магнитное наклонение;

k - магнитный курс судна.

За прототип способа и устройства, описанного в изобретении, принято техническое решение, приведенное в патенте №2688900 - Способ измерения магнитного курса судна в высоких широтах и устройство для его реализации. Авторы Зиненко В.М, Грязин Д.Г, Молочников А.А, Сергачёв И.В, Матвеев Ю.В, Короленко И.В.

Указанный способ и устройство осуществляют позиционное управление за счет использования в схеме датчика угловой скорости типа волоконно-оптического гироскопа и формирования сигнала, представляющего собой разность выходного показания магнитного компаса и проинтегрированного сигнала датчика угловой скорости. В связи с тем, что эксплуатация магнитного компаса происходит на длительном интервале времени, при интегрировании сигнала датчика угловой скорости будет накапливаться ошибка, что со временем приведет к увеличению погрешности в выходном сигнале предлагаемого устройства. Использование в этом способе и устройстве датчика угловой скорости типа микромеханического гироскопа (далее ММГ), в погрешности которого преобладают флуктуационные составляющие типа белого шума и случайного блуждания угла, не представляется возможным, поскольку быстро накапливающаяся ошибка ММГ при интегрировании его выходного сигнала приводит к резкому повышению погрешности компаса.

Решаемая техническая проблема - разработка способа компенсации систематической погрешности δ_р компаса на качке (далее - погрешности δ_р), вызванной действием в плоскости диска картушки с МЧЭ проекции вертикальной составляющей земного магнетизма и совершенствование его конструкции путем применения в его схеме ММГ с целью уменьшения стоимости прибора и уменьшения погрешности компаса на длительных интервалах времени.

Технический результат - уменьшения погрешности компаса на качке, в том числе в высоких широтах, на длительных интервалах времени, а также повышение конкурентоспособности магнитного компаса путем уменьшения его цены за счет применения в его конструкции дешевого ММГ.

Реализация предлагаемого способа достигается путем установки на котелок магнитного компаса, закрепленного в кардановом подвесе, в качестве датчика угловой скорости с вертикальной осью чувствительности - ММГ, который вырабатывает мгновенные значения угловых скоростей изменения курса и рыскания. Выходные данные ММГ используются для компенсации значений угловых скоростей изменения курса и рыскания в сигнале, формируемом путем дифференцирования показаний датчика магнитного курса компаса (далее ДМК). В результате вычисления разности между выходными сигналами дифференцирующего звена и ММГ формируется сигнал, который далее пропускается через фильтр низких частот для формирования на выходе фильтра сигнала, пропорционального погрешности δ_р.. Для достижения технического результата полученное значение погрешности δ_р вычитается из результатов измерений 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, использующий управление по угловой скорости рыскания, заключается в следующем:

1. Выработка с помощью ДМК сигнала , состоящего из мгновенных значений магнитного курса К_м, угла рыскания γ_р и погрешности _.

2. Выработка с помощью ММГ с вертикальной осью чувствительности, установленного в горизонтной системе координат на котелке компаса, сигнала , состоящего из угловых скоростей изменения курса , рыскания и погрешности .

3. Дифференцирование показаний ДМК и формирование на выходе дифференцирующего звена с постоянной времени T₁ сигнала , состоящего из угловых скоростей изменения курса , рыскания и погрешности _.. При выполнении вычислений значение T₁ выбирается исходя из задачи наилучшего воспроизведения угловых скоростей изменения курса и рыскания.

4. Вычисление разности между выходными сигналами дифференцирующего звена и ММГ с целью формирования сигнала, состоящего из погрешности и погрешности .

5. Фильтрация сигнала, состоящего из погрешности и погрешности с помощью фильтра низких частот с постоянной времени T₂, значение которой выбирается исходя из задачи наилучшего воспроизведения погрешности и сглаживания погрешности .

Коэффициенты K₁ и K₂ выбираются исходя из масштабных коэффициентов ДМК и ММГ, р - оператор дифференцирования, 1 - дифференцирующее звено, 2 - фильтр низких частот.

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

Полученные на основе компьютерного моделирования результаты работы компаса 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 на интервале времени, составляющем 200 часов, т. е в отличие от прототипа, в предлагаемом способе обеспечивается долговременное сохранение точности, что позволяет использовать магнитный компас при плавании судов до 84° северной широты.

Таким образом, заявленный технический результат считается достигнутым. В настоящее время изготавливается опытный образец компаса.

Изобретение относится к области навигационного приборостроения. Сущность изобретения заключается в том, что осуществляют установку на котелок магнитного компаса, закрепленного в кардановом подвесе, в качестве датчика угловой скорости с вертикальной осью чувствительности микромеханический гироскоп (ММГ), который вырабатывает мгновенные значения угловых скоростей изменения курса и рыскания. Выходные данные ММГ используются для компенсации значений угловых скоростей изменения курса и рыскания в сигнале, формируемом путем дифференцирования показаний датчика магнитного курса компаса (ДМК). В результате вычисления разности между выходными сигналами дифференцирующего звена и ММГ формируется сигнал, который далее пропускается через фильтр низких частот для формирования на выходе фильтра сигнала, пропорционального погрешности. Технический результат – уменьшение погрешности компаса на качке. 1 ил.

Способ измерения мгновенного значения магнитного курса судна на качке при воздействии на магниточувствительный элемент (МЧЭ) картушки компаса вертикальной составляющей магнитного поля Земли, заключающийся в выработке датчиком магнитного курса (ДМК) сигнала, состоящего из магнитного курса К_м, угла рыскания γ_р и погрешности δ_р., и датчиком угловой скорости с вертикальной осью чувствительности, установленным на котелке компаса, сигнала, состоящего из угловых скоростей изменения курса , рыскания и погрешности , отличающийся тем, что в качестве датчика угловой скорости используется микромеханический гироскоп (ММГ) и для его применения реализуется управление по угловой скорости рыскания, заключающееся в том, что сигнал ДМК пропускается через дифференцирующее звено, на выходе которого формируется сигнал , состоящий из угловых скоростей изменения курса , рыскания и погрешности , затем вычисляется разность между выходными сигналами дифференцирующего звена и ММГ для формирования сигнала, который далее пропускается через фильтр низких частот для формирования на выходе фильтра сигнала, пропорционального погрешности δ_р, затем производится вычисление разности между выходным сигналом ДМК и погрешностью δ_р, откорректированное значение магнитного курса передается на выносной индикатор.