СПОСОБ ГИРОКОМПАСИРОВАНИЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ ДАТЧИКА УГЛОВОЙ СКОРОСТИ Российский патент 2024 года по МПК G01C19/36 G01C21/18 

Изобретение относится к области точного приборостроения и может быть использовано при создании гирокомпасов аналитического типа.

Известны способы гирокомпасирования с использованием датчика угловой скорости (ДУС), состоящие в последовательном изменении ориентации ДУС с последующими измерениями различных параметров его выходного сигнала [Патент № 2267748, RU, 2006 г. Способ гирокомпасирования с применением гироскопического датчика угловой скорости при неточной выставке гироскопа на объекте /Джанджгава Г.И. и др.; Патент № 2210743, RU, 2003 г. Способ гирокомпасирования с применением гироскопического датчика угловой скорости, установленного на свободную в азимуте и стабилизированную в плоскости местного горизонта платформу / Редькин С.П.; Патент № 2194948 , RU, 2002 г. Способ алгоритмической компенсации погрешности гирокомпасирования с применением гироскопического датчика угловой скорости / Редькин С.П.]. Недостатками их являются сложность измерений и возможность использования только гироскопического ДУС. Известны способы гирокомпасирования с использованием ДУС, состоящие в реверсном изменении оси чувствительности ДУС относительно плоскости местного меридиана с последующим суммированием сигналов измерения [В.В. Серегин, P.M. Кукуев. Лазерные гирометры и их применение. М.: Машиностроение, 1990]. Недостатками их является невозможность компенсации погрешностей масштабного коэффициента измерения, широкополосных случайных помех измерения и низкая точность. Известен способ гирокомпасирования с использованием ДУС, состоящий в последовательном повороте ось чувствительности ДУС относительно направления местного меридиана на заданные углы [Ю. Голяев, А. Исаев, Ю. Колбас, С. Лантратов, В. Минзар, Г. Телегин. Гирокомпас на основе лазерного гироскопа с магнитооптическим управлением // Электроника, №8, 2006 г.] с последующим определением направления местного меридиана по максимуму выходного сигнала. Недостатком данного способа является низкая точность, обусловленная трудностью определения истинного максимума из-за нестационарных случайных помех в выходном сигнале ДУС и невозможностью компенсации погрешностей масштабного коэффициента измерения.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ гирокомпасирования с применением датчика угловой скорости, заключающийся в том, что после начальной выставки оси чувствительности датчика угловой скорости в плоскость местного горизонта осуществляют последовательный дискретный поворот оси чувствительности датчика угловой скорости на заданные углы в направлении плоскости местного меридиана (n-1) раз, причем в каждом очередном положении оси чувствительности датчика угловой скорости осуществляют низкочастотную фильтрацию его выходного сигнала в течение фиксированного интервала времени, после чего осуществляют попарное вычитание сигналов, полученных в соседних угловых положениях оси чувствительности датчика угловой скорости, и прекращают последовательный дискретный поворот оси чувствительности датчика угловой скорости на заданные углы в направлении плоскости местного меридиана или при достижении заданного значения величины n, или при изменении знака разности сигналов, полученных в соседних угловых положениях оси чувствительности датчика угловой скорости, при этом до начала процесса гирокомпасирования рассчитывают точные разности значений проекций угловой скорости Земли на ось чувствительности датчика угловой скорости для всех возможных соседних значений углов ее ориентации относительно плоскости местного меридиана в заданном интервале их изменения, после чего определяют угол относительно плоскости местного меридиана, соответствующий n-му точному значению проекции угловой скорости Земли на ось чувствительности датчика угловой скорости, который является углом азимута n-то положения оси чувствительности датчика угловой скорости, отличающийся тем, что после расчета точных разностей значений проекций угловой скорости Земли на ось чувствительности ДУС для всех возможных соседних значений углов ее ориентации относительно плоскости местного меридиана в заданном интервале их изменения определяют отношения полученных соседних разностей, а также точные отношения соседних точных разностей, из массива которых методом перебора осуществляется выбор (n-2) последовательных значений точных отношений, максимально совпадающих по заданному критерию совпадения с рядом соответствующих (n-2) значений отношений разностей сигналов, полученных в соседних угловых положениях оси чувствительности датчика угловой скорости, которые используют при определении угла относительно плоскости местного меридиана [Патент №2737383, RU, 2020 г. Способ гирокомпасирования с применением датчика угловой скорости / Шаталов А.Б., Соколов С.В., Погорелов В.А., Гашененко И.Н.].

Недостатками его являются сложность и низкое быстродействие за счет необходимости реализации (n-1) последовательных дискретных поворотов оси чувствительности ДУС на заданные углы.

Заявленное изобретение направлено на упрощение решения задачи определения направления местного меридиана с использованием ДУС и повышения быстродействия определения направления местного меридиана. Поставленная задача возникает при разработке гирокомпасов аналитического типа для навигационных систем и систем начальной ориентации навигационно-измерительных комплексов.

Для решения поставленной задачи предлагается способ, использующий после начальной выставки оси чувствительности ДУС в плоскость местного горизонта последовательный дискретный поворот оси чувствительности ДУС относительно плоскости местного меридиана, осуществляемый два раза, в каждом положении оси чувствительности ДУС низкочастотную фильтрацию выходного сигнала ДУС в течение фиксированного интервала времени и вычитание сигналов, полученных в соседних угловых положениях оси чувствительности ДУС, после выполнения операции вычитания сигналов, полученных в соседних угловых положениях оси чувствительности ДУС, вычисляется отношение разности, полученной после второго поворота оси чувствительности ДУС, к разности, полученной после первого поворота оси чувствительности ДУС, и формируется нелинейное уравнение, правая часть которого представляет собой разность отношения разностей, полученных после двух поворотов оси чувствительности ДУС, и отношения синуса суммы угла исходного положения оси чувствительности ДУС относительно плоскости местного меридиана с утроенным половинным углом дискретного поворота оси чувствительности ДУС к синусу суммы угла исходного положения оси чувствительности ДУС относительно плоскости местного меридиана с половинным углом дискретного поворота оси чувствительности ДУС, в результате решения которого итеративными методами определяется угол исходного положения оси чувствительности ДУС относительно плоскости местного меридиана.

Выходной сигнал Z большинства современных датчиков угловой скорости (гироскопических, лазерных, волоконно-оптических и др.) в режиме гирокомпасирования может быть представлен в следующем виде:

Z=k +S+W,

где k= k₀+k – реальный масштабный коэффициент измерения,

k₀ – расчетный масштабный коэффициент измерения,

k = const – постоянная случайная погрешность определения масштабного коэффициента измерения,

- проекция угловой скорости Земли на ось чувствительности ДУС, - угловая скорость вращения Земли, - широта места, А – азимутальный угол оси чувствительности ДУС;

S= const – постоянная случайная помеха,

W – широкополосная случайная помеха.

Для реализации предложенного способа гирокомпасирования после начальной выставки оси чувствительности ДУС в плоскость местного горизонта из исходного положения с неизвестным искомым азимутальным углом А₀ дважды осуществляется дискретный разворот оси чувствительности ДУС на заданный угол относительно плоскости местного меридиана. Как в исходном, так и в последующих двух положениях оси чувствительности ДУС, осуществляется низкочастотная фильтрация выходного сигнала ДУС Z (например, с использованием фильтра Баттерворта высокого порядка) в течение фиксированного интервала времени, зависящего от частоты съема измерений ДУС. По окончании процесса фильтрации выходной сигнал ДУС Z_i в исходном (i=0) и последующих двух положениях (i=1,2) становится равным:

Z_i = k +S,

где , - неизвестный азимутальный угол оси чувствительности ДУС в i-м положении.

Далее осуществляется попарное вычитание сигналов Z_i, i=0,1,2, полученных в исходном и последующих двух угловых положениях оси чувствительности ДУС (углы разворота которых относительно меридиана отличаются на ):

После выполнения операции вычитания сигналов Z_i вычисляется отношение разностей и :

которое уже не зависит от масштабного коэффициента k и, соответственно, от погрешности его определения.

Из полученного отношения формируется нелинейное уравнение

решаемое относительно аргумента А₀ итеративными методами. В силу монотонного характера итерируемой нелинейной функции сходимость к истинному решению (т.е. искомому исходному углу азимута А₀ оси чувствительности ДУС) обеспечивается с высокой точностью за малое (3-4) число шагов (см. Дополнительные материалы), что наряду с малым числом измерений (равным 3), обеспечивает высокое быстродействие предложенного способа.

Изобретение относится к области точного приборостроения и может применяться при создании гирокомпасов аналитического типа. Сущность заявленного изобретения заключается в следующем. Производят два дискретных поворота оси чувствительности датчика угловой скорости (ДУС) на заданный угол относительно плоскости местного меридиана, обеспечивают низкочастотную фильтрацию выходного сигнала ДУС в каждом положении оси чувствительности ДУС, вычитают полученные в соседних угловых положениях сигналы, определяют отношение разности, полученной после второго поворота оси чувствительности ДУС, к разности, полученной после первого поворота оси чувствительности ДУС, формируют нелинейную зависимость, в результате решения которой итеративными методами определяют угол исходного положения оси чувствительности ДУС относительно плоскости местного меридиана. Техническим результатом заявленного изобретения является упрощение определения направления местного меридиана с использованием ДУС.

Способ гирокомпасирования с применением датчика угловой скорости (ДУС), использующий после начальной выставки оси чувствительности ДУС в плоскость местного горизонта последовательный дискретный поворот оси чувствительности ДУС относительно плоскости местного меридиана, в каждом положении оси чувствительности ДУС низкочастотную фильтрацию выходного сигнала ДУС в течение фиксированного интервала времени и вычитание сигналов, полученных в соседних угловых положениях оси чувствительности ДУС, отличающийся тем, что последовательный дискретный поворот оси чувствительности ДУС осуществляется два раза, после выполнения операции вычитания сигналов, полученных в соседних угловых положениях оси чувствительности ДУС, вычисляется отношение разности, полученной после второго поворота оси чувствительности ДУС, к разности, полученной после первого поворота оси чувствительности ДУС, и формируется нелинейное уравнение, правая часть которого представляет собой разность отношения разностей, полученных после двух поворотов оси чувствительности ДУС, и отношения синуса суммы угла исходного положения оси чувствительности ДУС относительно плоскости местного меридиана с утроенным половинным углом дискретного поворота оси чувствительности ДУС к синусу суммы угла исходного положения оси чувствительности ДУС относительно плоскости местного меридиана с половинным углом дискретного поворота оси чувствительности ДУС, в результате решения которого итеративными методами определяется угол исходного положения оси чувствительности ДУС относительно плоскости местного меридиана.