Способ гирокомпасирования с применением датчика угловой скорости

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 широкополосных случайных помех измерения и низкая точность. Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ гирокомпасирования с использованием ДУС, состоящий в последовательном повороте оси 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.

Заявленное изобретение направлено на решение задачи повышения точности определения направления местного меридиана с использованием ДУС любого типа.

Поставленная задача возникает при разработке гирокомпасов аналитического типа для навигационных систем и систем начальной ориентации навигационно-измерительных комплексов. Для обеспечения высокой точности определения направления местного меридиана с использованием ДУС предлагается способ, заключающийся в том, что после начальной выставки оси чувствительности ДУС в плоскость местного горизонта осуществляется последовательный дискретный поворот оси чувствительности ДУС на заданные углы в направлении плоскости местного меридиана (n-1) раз, в каждом очередном положении оси чувствительности ДУС осуществляется низкочастотная фильтрация выходного сигнала ДУС в течение фиксированного интервала времени, после чего осуществляется попарное вычитание сигналов, полученных в соседних угловых положениях оси чувствительности ДУС, и прекращение поворота определяется или достижением заданного значения величины n, или изменением знака разности сигналов, полученных в соседних угловых положениях оси чувствительности ДУС, при этом до начала процесса гирокомпасирования рассчитываются точные разности 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, из массива которых методом перебора осуществляется выбор (n-1) последовательных значений точных разностей проекций угловой скорости Земли, максимально совпадающих по заданному критерию совпадения с рядом соответствующих (n-1) значений разностей сигналов, полученных в соседних угловых положениях оси чувствительности ДУС, после чего определяется угол относительно плоскости местного меридиана, соответствующий n-му точному значению проекции угловой скорости Земли на ось чувствительности ДУС, который с высокой точностью является углом азимута n-го положения оси чувствительности ДУС.

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

где ω=Ωcosϕ cosA - проекция угловой скорости Земли на ось чувствительности ДУС, Ω - угловая скорость вращения Земли, ϕ - 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 осуществляется последовательный дискретный разворот оси чувствительности ДУС на заданный угол Δ относительно плоскости местного меридиана (n-1) раз. В каждом очередном i-м (i=1, 2, …, n) положении 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 в i-м положении Z_i становится равным:

где ω_i=Ωcosϕ cosA_i, A_i - неизвестный азимутальный угол оси чувствительности ДУС в i-м положении.

Далее осуществляется попарное вычитание сигналов Z_i, полученных в соседних угловых положениях оси чувствительности ДУС (углы разворота которых относительно меридиана отличаются на Δ):

Полагая для определенности, что поворот оси чувствительности ДУС в плоскость местного меридиана осуществляется в направлении возрастания величины Z_i, прекращение поворота определяется или достижением заданного значения величины n, или изменением знака разности δ_i. Разность косинусов (cosA_i-cosA_i-1) рассчитывается до начала процесса гирокомпасирования для всех возможных значений углов A_n в заданном интервале их изменения с требуемой точностью (максимальные значения границ интервала здесь будут равны - при этом, например, при расчете углов A_n с шагом дискретизации 10 угл.сек максимальный размер массива вычисленных значений разности косинусов составит всего 32400 значений, что для современных вычислителей трудности не представляет). Также до начала процесса гирокомпасирования рассчитывается эталонный массив точных значений для конкретной широты гирокомпасирования умножением значений вычисленного массива разности косинусов на Ωcosϕ. После формирования (n-1) значений δ_i на основании проведенных измерений, осуществляется методом перебора выбор ряда (n-1) последовательных значений из эталонного массива точных значений, максимально совпадающих с рядом (n-1) значений δ_i. Сравнение производится на основе заданных критериев совпадения, например, где α, α₁ - заданные величины; и др. После формирования ряда эталонных (n-1) последовательных точных значений определяется угол A_n, соответствующий значению который с высокой точностью (в силу независимости значений δ_i от вышеперечисленных помех) и будет углом азимута n-го положения оси чувствительности ДУС.