Азимутальная ориентация платформы трехосного гиростабилизатора

Изобретение относится к области гироскопических систем и может быть использовано для определения азимута платформы трехосного гиростабилизатора в высокоточных навигационных системах различного назначения.

Известен способ азимутальной ориентации платформы трехосного гиростабилизатора (ТГС) по углу прецессии двухстепенного гироблока системы стабилизации платформы, используемого в режиме гирокомпаса [1]. Для этого гироблок системы стабилизации платформы относительно одной из горизонтальных осей отключают от системы стабилизации, горизонтирование и стабилизацию платформы относительно этой оси осуществляют с помощью акселерометра, отключаемого от датчика моментов гироблока и подключаемого к соответствующему двигателю стабилизации через усилитель стабилизации. Азимут платформы определяют путем обработки сигналов, снимаемых с широкодиапазонного кодового датчика угла гироблока.

Датчики углов поворота гирокамеры (поплавка) относительно корпуса прибора в современных двухстепенных поплавковых гироскопах (гироблоках) системы стабилизации платформы ТГС обычно рассчитаны на измерение достаточно малых углов - меньше 1-2⁰ ([2], с. 316). При использовании же компасного режима максимальные значения углов прецессии гироскопов к меридиану, требуемые для определения азимутальной ориентации платформы, существенно больше (примерно 30⁰-40⁰). Поэтому для реализации способа требуется разработка двухстепенного гироблока с широкодиапазонным кодовым датчиком угла, обеспечивающим высокоточное измерение азимута платформы ТГС при больших углах поворота ротора гироблока. Это усложняет конструкцию гироблока системы стабилизации платформы и является основным недостатком способа. Кроме того, к недостаткам следует отнести необходимость построения алгоритма определения азимута платформы ТГС на основе полной нелинейной динамической модели движения гироскопа с учетом действия на двухстепенной гироскоп внешних и внутренних возмущений, имеющих случайную природу.

Известен также способ азимутальной ориентации платформы трехосного гиростабилизатора по приращениям угла прецессии гироблока [3], в котором один двухстепенный гироблок системы стабилизации платформы также используется в режиме гирокомпаса. Азимут определяют по сигналам, равным разности между расчетными (номинальными) значениями угла прецессии и соответствующими значениями, снимаемыми с широкодиапазонного кодового датчика угла. Условно эти разности названы приращениями углов прецессии гироблоков. Исходная динамическая модель движения гироскопа представляется в следующем виде:

где А₀ - начальный азимут оси платформы ТГС;

β - угол прецессии гироскопа, то есть угол между одной из осей платформы ТГС, направленной на север с погрешностью А₀, и осью чувствительности гироблока (ось чувствительности гироблока перпендикулярна оси ротора гироскопа);

I - момент инерции гироскопа;

ƒ - коэффициент демпфирования;

Н - кинетический момент;

ω_Г - горизонтальная составляющая угловой скорости вращения Земли;

α=(ω_ДР - ω_В)t - угол поворота платформы относительно Земли по азимуту;

ω_B - вертикальная составляющая угловой скорости вращения Земли;

ω_ДР - угловая скорость дрейфа платформы ТГС относительно вертикальной оси;

М_вр - возмущающие моменты.

Номинальные значения угла прецессии гироблока β_H определяются в соответствии с расчетным нелинейным дифференциальным уравнением невозмущенного движения:

Это уравнение описывает изменение угла β_H при действии гироскопического момента, обусловленного горизонтальной составляющей угловой скорости Земли ω_Г, в предположении, что в начальный момент времени одна из осей платформы ТГС направлена точно на север, направление оси чувствительности измерительного гироблока совпадает с направлением данной оси, а вредные моменты М_вр отсутствуют, то есть при t=0: А₀=0 и β=0.

Номинальные значения угла прецессии β_H в соответствии с (2) рассчитывают одним из численных методов, например методом Рунге-Кутта [4]. Исходное уравнение (1) линеаризуют относительно уравнения (2), а для определения начального азимута А₀ оси Х_П платформы ТГС используют известные методы оценок параметров линейных систем в условиях действия случайных возмущений, например, оптимальный фильтр Калмана [5]. Текущий азимут A_П(t) оси платформы ТГС, а также азимут A_ГБ(t) оси чувствительности гироблока определяют по формулам:

К недостаткам рассмотренных способов кроме необходимости использования широкодиапазонного кодового датчика угла следует отнести существенные затраты времени на возвращение гироскопа в исходное положение с больших углов прецессии, что увеличивает время готовности ТГС к целевому использованию после осуществления азимутальной ориентации.

В дальнейшем для краткости изложения гироблок системы стабилизации платформы ТГС, используемый в компасном режиме для измерения углов поворота гироскопа, называется измерительным гироблоком.

Целью настоящего изобретения является устранение отмеченных недостатков рассмотренных выше способов азимутальной ориентации платформы ТГС - упрощение конструкции измерительного гироблока, сокращение времени готовности трехосного гиростабилизатора для его целевого назначения.

В качестве прототипа был принят второй способ, использующий приращения номинальных углов прецессии измерительного гироблока.

Поставленная цель достигается тем, что для азимутальной ориентации платформы ТГС используют один из гироблоков системы стабилизации гиростабилизированной платформы, при этом горизонтирование платформы относительно одной из осей осуществляют путем отключения акселерометра от датчика моментов гироблока контура стабилизации по этой оси и подключения его к соответствующему двигателю стабилизации через усилитель стабилизации, а азимутальную ориентацию платформы определяют по отклонениям измеряемого угла прецессии гироблока от номинальных значений данного угла, причем углы прецессии гироблока измеряют до момента достижения ими расчетного конечного значения, устанавливаемого в пределах диапазона углов, измеряемых датчиком углов гироблока системы стабилизации; значение азимута, определенное в конце измерений запоминают в вычислительном устройстве, на датчик моментов измерительного гироблока подают расчетный управляющий ток и возвращают гироскоп в исходное положение; циклы измерений и определения азимута повторяют, не меняя значения конечного угла прецессии, и продолжают их до достижения требуемой точности азимутальной ориентации платформы трехосного гиростабилизатора.

Конечный угол прецессии гироблока устанавливают в пределах примерно 70-90% от диапазона измерений углов датчиком угла гироблока системы стабилизации. Значение задаваемой величины конечного угла определяется исходя из требования к времени перехода ТГС в исходное состояние. Периодические циклы измерений прекращаются при достижении требуемой точности определения азимутального положения платформы. При таком задании конечных углов прецессии отпадает необходимость в применении широкодиапазонного кодового датчика угла поворота гироскопа и уменьшается время возврата гирокамеры измерительного гироблока в исходное положение. Поэтому предлагаемый способ азимутальной ориентации платформы ТГС по периодическим измерениям углов прецессии гироблока дает возможность значительно упростить конструкцию измерительного гироблока, а также сократить время перехода ТГС из режима азимутальной ориентации платформы в режим целевого использования.

Сравнительный анализ существенных признаков способа азимутальной ориентации платформы ТГС, выбранного прототипом, и предлагаемого способа показывает, что предлагаемый способ азимутальной ориентации отличается тем, что углы прецессии гироблока измеряют до момента достижения ими расчетного конечного значения, устанавливаемого в пределах диапазона углов, измеряемых датчиком углов гироблока системы стабилизации; значение азимута, определенное в конце измерений запоминают в вычислительном устройстве, на датчик моментов измерительного гироблока подают расчетный управляющий ток и возвращают гироскоп в исходное положение; циклы измерений и определения азимута повторяют, не меняя значения конечного угла прецессии, и продолжают их до достижения требуемой точности азимутальной ориентации платформы трехосного гиростабилизатора.

Таким образом, предложенный способ имеет новизну. Авторам не известна совокупность существенных признаков, применяемых для решения данной технической задачи, что соответствует критерию «изобретательский уровень».

Источники информации:

1. Патент RU №2324897.

2. Никитин Е.А., Шестов С.А., Матвеев В.А. Гироскопические системы. - М.: «Высшая школа», 1988, - 432 с.

3. Патент RU №2509289.

4. Дьяконов В.П. MATLAB 7.*/R2006/R2007. Самоучитель. М.: ДМК Пресс, 2008.

5. Брамер К., Зифлинг Г. Фильтр Калмана - Бьюси. - М.: «Наука», 1982, - 200 с.