Способ измерения магнитного курса судна с использованием системы коррекции Российский патент 2023 года по МПК G01C17/30 

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

Известны дистанционные магнитные компасы (далее - МК), 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" [Кожухов В.П., Воронов В.В., Григорьев В.В. Магнитные компасы // М.: Транспорт, 1981, стр.173-180] и КМ145-С [Кардашинский-Брауде Л.А. Современные судовые магнитные компасы //СПб. ГНЦ РФ ЦНИИ "Электроприбор", 1999, стр.60-62].

К недостаткам способа измерения магнитного курса, реализуемого в этих МК относится то, что в условиях плавания судна появляется динамическая погрешность компаса, обусловленная, прежде всего, воздействием на картушку с МЧЭ центростремительного и тангенциального ускорения от воздействия качки [Рыбалтовский Н.Ю. Магнитно-компасное дело // Л.: Государственное издательство водного транспорта, 1954, стр. 441]. Появление этих ускорений обусловлено тем, что компас установлен на некотором плече относительно центра качания судна [Ривкин С.С. Определение линейных скоростей и ускорений качки корабля инерциальным методом. Часть I. Линейные скорости и ускорения качки корабля. ЦНИИ «Румб», 1980, стр.19]. Поскольку картушка МК имеет свойства короткопериодного маятника, она отклоняется от горизонтального положения под воздействием этих ускорений, что вызывает появление в плоскости диска картушки проекции вертикальной составляющей земного магнетизма, приводящее к динамической погрешности МК. Особенно велико значение динамической погрешности при плавании в высоких широтах, так как горизонтальная составляющая магнитного поля Земли там незначительна.

За прототип способа принято техническое решение, приведенное в [патент РФ №2763685], в котором с целью подавления динамической погрешности, возникающей при воздействии качки, применяется система коррекции, использующая микромеханический датчик угловой скорости (далее - ММГ) с вертикально расположенной осью чувствительности, установленный на котелке МК. При этом коррекция производится по угловой скорости и в её основе лежит дифференцирование показаний датчика магнитного курса (далее – ДМК) компаса и вычисление разности между сигналами с выхода дифференцирующего звена и ДМК. К недостатку прототипа относится то, что для реализации такой системы коррекции требуется достаточно сложный алгоритм устранения разрыва производной при дифференцировании сигналов ДМК в области перехода угла магнитного курса с 0° на угол 360°. Указанный алгоритм требует дополнительных вычислительных ресурсов и занимает значительный объём оперативной памяти вычислителя, что может привести к снижению точности выработки курса МК во время следования судна, в частности, курсом ноль градусов.

Решаемая техническая проблема - разработка способа измерения магнитного курса на качке без применения дифференцирования сигналов ДМК, но с применением в системе коррекции МК легкореализуемой задачи фильтрации, позволяющей получить значение угла курса с помощью комплексирования показаний ДМК и ММГ.

Достигаемый технический результат – повышение точности выработки курса МК при следовании судна любым курсом, в частности, курсом ноль градусов.

ММГ с вертикально расположенной осью чувствительности измеряет угловую скорость изменения курса, и, в силу присутствия низкочастотных составляющих дрейфа, может использоваться для выработки угла курса, только ограниченное время. В то же время требуемая точность выработки угла курса МК обеспечивается только в отсутствии качки и, соответственно, действия динамической погрешности.

С целью уменьшения динамической погрешности от качки судна предлагаемый способ измерения магнитного курса должен объединить показания ММГ и ДМК при помощи фильтра верхних частот (далее - ФВЧ) и фильтра нижних частот (далее - ФНЧ) таким образом, чтобы на выходе системы коррекции формировался угол курса, представляющий комбинацию низкочастотной и высокочастотной составляющих, соответственно, ДМК и ММГ. В этом случае в системе коррекции производится компенсация дрейфа нуля ММГ с помощью ФВЧ и динамической погрешности от качки судна в показании ДМК с помощью ФНЧ.

Предлагаемый способ основан на обеспечении условия инвариантности, при выполнении которого применяемые в системе коррекции ФВЧ и ФНЧ не оказывают влияния на полезный сигнал – вырабатываемый угол курса. Для обеспечения этого условия необходимо, чтобы сумма передаточных функций ФВЧ и ФНЧ всегда равнялась единице.

В простейшем случае в качестве ФВЧ и ФНЧ можно воспользоваться соответствующими динамическими звеньями с передаточными функциями и , где - постоянная времени ФВЧ, - постоянная времени ФНЧ, p = оператор дифференцирования. Равенство суммы передаточных функций ФВЧ и ФНЧ единице достигается при условии равенства постоянных времени ==.

Для того, чтобы на выходе системы коррекции формировался угол курса по показаниям ДМК и ММГ, необходимо чтобы сигнал ММГ был вначале проинтегрирован, т.е. пропущен через звено , и только потом к полученному выходному сигналу интегратора может быть применен ФВЧ - . Поскольку в результате такого последовательного соединения динамических звеньев образуется передаточная функция - , то, выходной сигнал ММГ может быть пропущен через усилитель с коэффициентом усиления и далее подан, также как и выходной сигнал ДМК, пропущенный через усилитель с коэффициентом усиления , непосредственно на вход ФНЧ: .

Таким образом, для выполнения условия инвариантности в систему коррекции вводятся два дополнительных усилителя: усилитель сигнала ДМК с коэффициентом усиления и усилитель сигнала ММГ с коэффициентом усиления . Сигналы с выходов усилителей далее поступают в вычислительное устройство, в котором производится выработка текущего значения угла курса.

На фиг. 1 показана блок-схема реализация предлагаемого способа измерения магнитного курса. Предлагаемый способ заключается в следующем:

1. Выходной сигнал с ДМК поступает на усилитель с коэффициентом усиления , а выходной сигнал с ММГ на усилитель с коэффициентом усиления .

2. Сигнал с усилителя ДМК суммируется с сигналом с усилителя ММГ - ,

где- магнитный курс,

- угол рыскания.

3. Полученная сумма сигналов подаётся на вход ФНЧ с постоянной времени , а на выходе ФНЧ формируется сигнал , представляющий комбинацию низкочастотной и высокочастотной составляющих, соответственно, ДМК и ММГ, в котором отсутствует динамическая погрешность ДМК, возникающая при воздействии качки:

4. Сигнал подаётся на выносной индикатор.

Результаты работы МК с предлагаемой системой коррекции, в которой отсутствует дифференцирование сигналов ДМК как в прототипе, полученные на основе компьютерного моделирования, а также результаты натурных испытаний разработанного макета прибора подтверждают возможность подавления динамической погрешности ДМК при воздействии качки не менее чем в десять раз на интервале времени не менее 200 часов и, соответственно, повышение точности выработки курса, при следовании судна любым курсом, в том числе, курсом ноль градусов.

Таким образом, заявленный технический результат считается достигнутым.

1. Выходной сигнал с ДМК поступает на усилитель с коэффициентом усиления , а выходной сигнал с ММГ на усилитель с коэффициентом усиления .

2. Сигнал с усилителя ДМК суммируется с сигналом с усилителя ММГ - ,

где- магнитный курс,

- угол рыскания.

3. Полученная сумма сигналов подаётся на вход ФНЧ с постоянной времени , а на выходе ФНЧ формируется сигнал , представляющий комбинацию низкочастотной и высокочастотной составляющих, соответственно, ДМК и ММГ, в котором отсутствует динамическая погрешность ДМК, возникающая при воздействии качки:

4. Сигнал подаётся на выносной индикатор.

Результаты работы МК с предлагаемой системой коррекции, в которой отсутствует дифференцирование сигналов ДМК как в прототипе, полученные на основе компьютерного моделирования, а также результаты натурных испытаний разработанного макета прибора подтверждают возможность подавления динамической погрешности ДМК при воздействии качки не менее чем в десять раз на интервале времени не менее 200 часов и, соответственно, повышение точности выработки курса, при следовании судна любым курсом, в том числе, курсом ноль градусов.

Таким образом, заявленный технический результат считается достигнутым.

Изобретение относится к области навигационного приборостроения и может быть использовано в судовых магнитных компасах (МК). Сущность предлагаемого способа измерения магнитного курса судна на качке заключается в объединении выходных сигналов микромеханического гироскопа (ММГ) и датчика магнитного курса (ДМК) при помощи фильтров верхних частот (ФВЧ) и нижних частот (ФНЧ). При этом на выходе системы коррекции формируется угол курса, представляющий собой комбинацию низкочастотной и высокочастотной составляющих, соответственно, ДМК и ММГ. Кроме того, при реализации заявленного способа обеспечивается выполнение условия инвариантности, при котором сумма передаточных функций ФВЧ и ФНЧ равняется единице – с этой целью в систему коррекции вводятся два дополнительных усилителя: усилитель сигнала ДМК с коэффициентом усиления К₁=1, а также усилитель сигнала ММГ с коэффициентом усиления К₂=Т, равным постоянной времени ФНЧ. Техническим результатом, достигаемым при осуществлении заявленного изобретения, является повышение точности выработки курса МК при следовании судна любым курсом. 1 ил.

Способ измерения магнитного курса судна на качке при воздействии на магниточувствительный элемент картушки компаса вертикальной составляющей магнитного поля Земли, заключающийся в использовании сигналов датчика магнитного курса (ДМК) и микромеханического гироскопа (ММГ) с вертикальной осью чувствительности, установленного на котелке магнитного компаса, отличающийся тем, что в систему коррекции введены дополнительные усилители сигналов ДМК и ММГ с соответствующими коэффициентами усиления и , отношение которых соблюдается равным постоянной времени Т фильтра нижних частот , через который пропускается сумма сигналов с выходов усилителей этих датчиков для вычисления угла курса на основе комбинации низкочастотной и высокочастотной составляющих соответственно сигналов ДМК и ММГ.