способ определения истинного курса с помощью гироскопического датчика угловой скорости
Классы МПК: | G01C21/14 путем записи курса, проходимого объектом |
Автор(ы): | Редькин С.П. |
Патентообладатель(и): | Акционерное общество Раменское приборостроительное конструкторское бюро |
Приоритеты: |
подача заявки:
1995-12-20 публикация патента:
10.12.1997 |
Изобретение относится к гироскопическому приборостроению и может быть использовано при создании гирокомпасов аналитического типа. Сущность изобретения: для определения угла истинного курса с помощью гироскопического датчика угловой скорости проводят предварительную фазировку сигнала с эталонного сопротивления гироскопа с направлением поворота его корпуса в азимутальной плоскости, а в рабочем режиме поворачивают гироскоп в азимуте относительно искомого курсового направления на 360o, определяют значения напряжений с эталонного сопротивления в равноотстоящих по углу друг от друга положениях, угловое расстояние между которыми выбирают таким, чтобы для него угол 90o был кратным, аналитически определяют значения курса оси гироскопа на этих углах, приводят полученные курсовые значения к искомому курсовому направлению с использованием известных азимутальных углов поворота гироскопа и искомый курс определяют как их среднее значение. 2 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2
Формула изобретения
Способ определения истинного курса с помощью гироскопического датчика угловой скорости, включающий предварительную выставку измерительных осей гироскопа в горизонт и их привязку к продольной оси объекта, работу гироскопа в режиме обратной связи по току датчика момента, определение напряжений с эталонного сопротивления датчика угловой скорости на угле измеряемого курса и положениях, полученных в результате азимутального поворота гироскопа на 90o и 180o относительно искомого курсового направления, и вычисляют значение истинного курса оси гироскопа, отличающийся тем, что с помощью гироскопического датчика угловой скорости проводят предварительную фазировку системы измерения напряжения с эталонного сопротивления обратной связи гироскопа, обеспечивающую положительное приращение сигнала с эталонного сопротивления при азимутальном повороте его корпуса против часовой стрелки на 90o из положения, при котором измерительная ось направлена на Восток, а при определении курсового угла гироскоп поворачивают в азимуте относительно искомого курсового направления против часовой стрелки в равно отстоящие по углу друг от друга положения в диапазоне 0 360o, угловое расстояние между которыми выбирают таким, чтобы для него угол 90o являлся кратным, при этом измеряют углы поворота гироскопа и соответствующих этим углам напряжения с эталонного сопротивления, а значение истинного курса вычисляют по формуле![способ определения истинного курса с помощью гироскопического датчика угловой скорости, патент № 2098766](/images/patents/374/2098766/2098766-22t.gif)
где
![способ определения истинного курса с помощью гироскопического датчика угловой скорости, патент № 2098766](/images/patents/374/2098766/2098766-23t.gif)
если
![способ определения истинного курса с помощью гироскопического датчика угловой скорости, патент № 2098766](/images/patents/374/2098766/2098766-24t.gif)
![способ определения истинного курса с помощью гироскопического датчика угловой скорости, патент № 2098766](/images/patents/374/2098766/2098766-25t.gif)
если
![способ определения истинного курса с помощью гироскопического датчика угловой скорости, патент № 2098766](/images/patents/374/2098766/2098766-26t.gif)
![способ определения истинного курса с помощью гироскопического датчика угловой скорости, патент № 2098766](/images/patents/374/2098766/2098766-27t.gif)
если
![способ определения истинного курса с помощью гироскопического датчика угловой скорости, патент № 2098766](/images/patents/374/2098766/2098766-28t.gif)
![способ определения истинного курса с помощью гироскопического датчика угловой скорости, патент № 2098766](/images/patents/374/2098766/2098766-29t.gif)
если
![способ определения истинного курса с помощью гироскопического датчика угловой скорости, патент № 2098766](/images/patents/374/2098766/2098766-30t.gif)
i текущий индекс, характеризующий азимутальное положение гироскопа,
![способ определения истинного курса с помощью гироскопического датчика угловой скорости, патент № 2098766](/images/patents/374/2098766/2098766-31t.gif)
![способ определения истинного курса с помощью гироскопического датчика угловой скорости, патент № 2098766](/images/patents/374/2098766/2098766-32t.gif)
![способ определения истинного курса с помощью гироскопического датчика угловой скорости, патент № 2098766](/images/patents/374/2098016/960.gif)
![способ определения истинного курса с помощью гироскопического датчика угловой скорости, патент № 2098766](/images/patents/374/2098011/916.gif)
![способ определения истинного курса с помощью гироскопического датчика угловой скорости, патент № 2098766](/images/patents/374/2098213/981.gif)
N + 1 число измерений на угловом промежутке [0,2
![способ определения истинного курса с помощью гироскопического датчика угловой скорости, патент № 2098766](/images/patents/374/2098016/960.gif)
Uj Ui при j
![способ определения истинного курса с помощью гироскопического датчика угловой скорости, патент № 2098766](/images/patents/374/2098011/8773.gif)
Uj U(i N) при j > N + 1;
![способ определения истинного курса с помощью гироскопического датчика угловой скорости, патент № 2098766](/images/patents/374/2098766/2098766-33t.gif)
Ui значение напряжения с эталонного сопротивления датчика угловой скорости в i азимутальном положении.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к точному приборостроению, преимущественно гироскопическому и может быть использовано при создании гирокомпасов и курсоуказывающих устройств аналитического типа. Известен способ определения истинного курса с помощью гироскопического датчика угловой скорости (Б.И. Назаров и Г.А. Хлебников, "Гиростабилизаторы ракет", М. 1975, с.193-196), согласно которому курсовое направление измерительной оси гироскопа определяют аналитически путем вычислений по результатам измерений горизонтальной составляющей угловой скорости вращения Земли. С целью повышения точности определения курса применяют методы, направленные на уменьшение дрейфа гироскопа. Так, гироскопический датчик угловой скорости, измерительная ось которого расположена в плоскости горизонта, поворачивают на разные азимутальные углы и снимают на этих углах выходную информацию с гироскопа в виде электрического напряжения с эталонного сопротивления, стоящего в цепи обратной связи. На основе того, что ряд вредных моментов гироскопа, не связанных с его корпусом, меняет знак при разворотах его в азимуте, разработаны известные методы, которые позволяют выполнить взаимную компенсацию этих вредных моментов. Однако эти известные методы автокомпенсации не позволяют полностью исключить курсовую погрешность от вредных моментов гироскопа, а также от других источников, например, невыставки осей чувствительности гироскопа в горизонте. За прототип взят способ определения истинного курса с помощью гироскопического датчика угловой скорости, основанный на его аналитическом вычислении (S.P. Redkin, "Analytical gyrocompassing by angular rate sensor based on dynamically tuned gyro", in Saint Petersburg International Conference on Gyroscopic Technology, may 1994). В этом способе проводят предварительную настройку по выставке измерительных осей гироскопа в горизонт и привязке их к продольной оси объекта, включают гироскоп в режим работы с обратной связью по току датчика момента, определяют сигнал с эталонного сопротивления датчика угловой скорости в первом положении на угле измеряемого курса, поворачивают гироскоп в азимуте во второе положение вокруг собственной оси на 180o, а затем в третье положение на 90o и измеряют сигналы с гироскопа на этих углах, после чего искомый угол находят аналитически с использованием значений сигнала с эталонного сопротивления, полученных на этих углах с помощью следующего соотношения![способ определения истинного курса с помощью гироскопического датчика угловой скорости, патент № 2098766](/images/patents/374/2098766/2098766-2t.gif)
где Ux1, Ux2, Ux3 напряжения с эталонного сопротивления датчика угловой скорости соответственно в первом, втором и третьем положениях. Существующий способ определения истинного курса позволяет произвести автокомпенсацию ряда погрешностей, обусловленных систематическими составляющими моментов, не связанных с корпусом гироскопа. Однако в данном способе не компенсируются вредные моменты в гироскопе, которые связаны с его корпусом. При поворотах происходит изменение моментов, не связанных с корпусом, которые тоже не компенсируются и обуславливают погрешность определения курса. Также этот известный способ не компенсирует погрешность определения курса обусловленную погрешностью выставки в горизонт осей чувствительности гироскопа. Погрешность определения курса в известном способе, реализованном с помощью ДУС на базе динамически настраиваемого гироскопа (ДНГ), в соответствия с исследованиями, проведенными в указанной выше статье S.P. Redkin, можно представить в следующем виде
![способ определения истинного курса с помощью гироскопического датчика угловой скорости, патент № 2098766](/images/patents/374/2098766/2098766-3t.gif)
![способ определения истинного курса с помощью гироскопического датчика угловой скорости, патент № 2098766](/images/patents/374/2098011/916.gif)
![способ определения истинного курса с помощью гироскопического датчика угловой скорости, патент № 2098766](/images/patents/374/2098204/936.gif)
j угол истинного курса;
n,
![способ определения истинного курса с помощью гироскопического датчика угловой скорости, патент № 2098766](/images/patents/374/2098766/954.gif)
aБ,
![способ определения истинного курса с помощью гироскопического датчика угловой скорости, патент № 2098766](/images/patents/374/2098082/946.gif)
![способ определения истинного курса с помощью гироскопического датчика угловой скорости, патент № 2098766](/images/patents/374/2098106/947.gif)
![способ определения истинного курса с помощью гироскопического датчика угловой скорости, патент № 2098766](/images/patents/374/2098001/945.gif)
![способ определения истинного курса с помощью гироскопического датчика угловой скорости, патент № 2098766](/images/patents/374/2098082/946.gif)
![способ определения истинного курса с помощью гироскопического датчика угловой скорости, патент № 2098766](/images/patents/374/2098106/947.gif)
![способ определения истинного курса с помощью гироскопического датчика угловой скорости, патент № 2098766](/images/patents/374/2098766/2098766-4t.gif)
U угловая скорость вращения Земли;
v широта места;
K* остаточная жесткость ДНГ;
d1,,
![способ определения истинного курса с помощью гироскопического датчика угловой скорости, патент № 2098766](/images/patents/374/2098213/948.gif)
![способ определения истинного курса с помощью гироскопического датчика угловой скорости, патент № 2098766](/images/patents/374/2098213/948.gif)
Kу коэффициент усиления контура обратной связи гироскопа,
Kу=Кдм
![способ определения истинного курса с помощью гироскопического датчика угловой скорости, патент № 2098766](/images/patents/374/2098007/183.gif)
![способ определения истинного курса с помощью гироскопического датчика угловой скорости, патент № 2098766](/images/patents/374/2098007/183.gif)
Kду крутизна датчика угла гироскопа;
Kус коэффициент усиления усилителя обратной связи;
Kдм крутизна датчика момента гироскопа,
![способ определения истинного курса с помощью гироскопического датчика угловой скорости, патент № 2098766](/images/patents/374/2098077/955.gif)
TD момент сил аэродинамического сопротивления вращению ротора;
D коэффициент демпфирования;
n количество карданных рамок ДНГ;
N скорость вращения ротора гироскопа;
H1 кинетический момент гироскопа;
![способ определения истинного курса с помощью гироскопического датчика угловой скорости, патент № 2098766](/images/patents/374/2098011/916.gif)
![способ определения истинного курса с помощью гироскопического датчика угловой скорости, патент № 2098766](/images/patents/374/2098011/916.gif)
![способ определения истинного курса с помощью гироскопического датчика угловой скорости, патент № 2098766](/images/patents/374/2098011/916.gif)
![способ определения истинного курса с помощью гироскопического датчика угловой скорости, патент № 2098766](/images/patents/374/2098011/916.gif)
rz смещение центра масс ротора гироскопа вдоль оси собственного вращения;
g ускорение свободного падения. В соответствии с выражением (1) была раcсчитана погрешность определения курса при следующих типичных параметрах. H1 180 гсмс, K* 0,3 гсм/рад, Kу 200 гсм/рад, rzg 8,6
![способ определения истинного курса с помощью гироскопического датчика угловой скорости, патент № 2098766](/images/patents/374/2098007/183.gif)
![способ определения истинного курса с помощью гироскопического датчика угловой скорости, патент № 2098766](/images/patents/374/2098766/2098766-5t.gif)
![способ определения истинного курса с помощью гироскопического датчика угловой скорости, патент № 2098766](/images/patents/374/2098766/2098766-6t.gif)
На фиг. 1 показана теоретическая зависимость погрешности определения курса от курсового угла, полученная при этих параметрах. Из зависимости 1, представленной на фиг.1, следует, что в известном способе определения курса имеет место существенная погрешность, обусловленная параметрами ДУС, вредными моментами по осям гироскопа, погрешностью выставки его измерительных осей в плоскость горизонта. При этом курсовая погрешность зависит гармонически от курсового угла, изменяясь в пределах трубки, ширина которой при выполненных расчетах составила Kт1 -0,00487 рад. Целью изобретения является повышение точности определения истинного курса с помощью гироскопического датчика угловой скорости. Цель достигается тем, что в известном способе определения истинного курса с помощью датчика угловой скорости, включающем предварительную выставку измерительных осей гироскопа в горизонт и их привязку к продольной оси объекта, работу гироскопа в режиме обратной связи по току датчика момента при операции предварительной настройки проводят фазировку системы измерения напряжения с эталонного сопротивления обратной связи гироскопа, обеспечивающую положительное приращение сигнала с эталонного сопротивления при азимутальном повороте его корпуса против часовой стрелки на 90o из положения, при котором измерительная ось направлена на Восток, а при определении курсового угла гироскоп поворачивают в азимуте относительно искомого курсового направления против часовой стрелки на 360o, при этом делают измерения углов поворота корпуса гироскопа и соответствующих этим углам напряжений с эталонного сопротивления, затем определяют значения напряжений с эталонного сопротивления в равноотстоящих по углу друг от друга положениях, угловое расстояние между которыми выбирают таким, чтобы для него угол 90o являлся кратным, и определяют значение истинного курса оси гироскопа перпендикулярной измерительной оси по формуле
![способ определения истинного курса с помощью гироскопического датчика угловой скорости, патент № 2098766](/images/patents/374/2098766/2098766-7t.gif)
где
![способ определения истинного курса с помощью гироскопического датчика угловой скорости, патент № 2098766](/images/patents/374/2098766/2098766-8t.gif)
i текущий индекс, характеризующий азимутальное положение гироскопа,
![способ определения истинного курса с помощью гироскопического датчика угловой скорости, патент № 2098766](/images/patents/374/2098766/2098766-9t.gif)
![способ определения истинного курса с помощью гироскопического датчика угловой скорости, патент № 2098766](/images/patents/374/2098766/2098766-10t.gif)
![способ определения истинного курса с помощью гироскопического датчика угловой скорости, патент № 2098766](/images/patents/374/2098016/960.gif)
![способ определения истинного курса с помощью гироскопического датчика угловой скорости, патент № 2098766](/images/patents/374/2098011/916.gif)
![способ определения истинного курса с помощью гироскопического датчика угловой скорости, патент № 2098766](/images/patents/374/2098213/981.gif)
N+1 число измерений на угловом промежутке [0,2
![способ определения истинного курса с помощью гироскопического датчика угловой скорости, патент № 2098766](/images/patents/374/2098016/960.gif)
![способ определения истинного курса с помощью гироскопического датчика угловой скорости, патент № 2098766](/images/patents/374/2098011/8773.gif)
Uj U(i-N) при j > N+1,
j 1, (1,5N-0,5),
Ui значение напряжения с эталонного сопротивления датчика угловой скорости в азимутальном положении. В практике определения курсового угла с помощью датчика угловой скорости измерения проводят в таких азимутальных положениях гироскопа, которые обеспечивают аналитическое вычисление курсового угла через функцию арктангенс.
![способ определения истинного курса с помощью гироскопического датчика угловой скорости, патент № 2098766](/images/patents/374/2098766/2098766-11t.gif)
где
U1 напряжение с эталонного сопротивления датчика угловой скорости в исходном положении;
U3 напряжение с эталонного сопротивления при повороте гироскопа на угол 90o. Вычисление
![способ определения истинного курса с помощью гироскопического датчика угловой скорости, патент № 2098766](/images/patents/374/2098204/936.gif)
![способ определения истинного курса с помощью гироскопического датчика угловой скорости, патент № 2098766](/images/patents/374/2098766/2098766-12t.gif)
Пусть в исходном положении напряжение с эталонного сопротивления гироскопа равно U1, а в положениях, развернутых против часовой стрелки относительно исходного на 180 и 90o, равно соответственно U2 и U3. Тогда в случае использования ДУС на базе динамического настраиваемого гироскопа можно показать, что
![способ определения истинного курса с помощью гироскопического датчика угловой скорости, патент № 2098766](/images/patents/374/2098766/2098766-13t.gif)
где
![способ определения истинного курса с помощью гироскопического датчика угловой скорости, патент № 2098766](/images/patents/374/2098011/916.gif)
![способ определения истинного курса с помощью гироскопического датчика угловой скорости, патент № 2098766](/images/patents/374/2098011/916.gif)
![способ определения истинного курса с помощью гироскопического датчика угловой скорости, патент № 2098766](/images/patents/374/2098011/916.gif)
![способ определения истинного курса с помощью гироскопического датчика угловой скорости, патент № 2098766](/images/patents/374/2098766/2098766-14t.gif)
где
![способ определения истинного курса с помощью гироскопического датчика угловой скорости, патент № 2098766](/images/patents/374/2098011/916.gif)
![способ определения истинного курса с помощью гироскопического датчика угловой скорости, патент № 2098766](/images/patents/374/2098204/936.gif)
![способ определения истинного курса с помощью гироскопического датчика угловой скорости, патент № 2098766](/images/patents/374/2098011/916.gif)
![способ определения истинного курса с помощью гироскопического датчика угловой скорости, патент № 2098766](/images/patents/374/2098204/936.gif)
![способ определения истинного курса с помощью гироскопического датчика угловой скорости, патент № 2098766](/images/patents/374/2098204/936.gif)
![способ определения истинного курса с помощью гироскопического датчика угловой скорости, патент № 2098766](/images/patents/374/2098213/981.gif)
![способ определения истинного курса с помощью гироскопического датчика угловой скорости, патент № 2098766](/images/patents/374/2098011/916.gif)
![способ определения истинного курса с помощью гироскопического датчика угловой скорости, патент № 2098766](/images/patents/374/2098204/936.gif)
где
![способ определения истинного курса с помощью гироскопического датчика угловой скорости, патент № 2098766](/images/patents/374/2098204/936.gif)
![способ определения истинного курса с помощью гироскопического датчика угловой скорости, патент № 2098766](/images/patents/374/2098011/916.gif)
![способ определения истинного курса с помощью гироскопического датчика угловой скорости, патент № 2098766](/images/patents/374/2098213/981.gif)
![способ определения истинного курса с помощью гироскопического датчика угловой скорости, патент № 2098766](/images/patents/374/2098011/916.gif)
![способ определения истинного курса с помощью гироскопического датчика угловой скорости, патент № 2098766](/images/patents/374/2098204/936.gif)
i индекс, характеризующий известные азимутальные положения,
![способ определения истинного курса с помощью гироскопического датчика угловой скорости, патент № 2098766](/images/patents/374/2098766/2098766-15t.gif)
Определяя искомый курсовой угол как среднее значение приведенных курсовых углов, получим
![способ определения истинного курса с помощью гироскопического датчика угловой скорости, патент № 2098766](/images/patents/374/2098766/2098766-16t.gif)
Разворачивая гироскоп относительно исходного положения на 360o и определяя значения напряжений с эталонного сопротивления в равноотстоящих по углу друг от друга положениях, угловое расстояние между которыми выбрано таким, чтобы для него угол 90o был кратным, искомое значение угла истинного курса в соответствии с выражениями (4),(6),(8) можно определить, используя следующие соотношения
![способ определения истинного курса с помощью гироскопического датчика угловой скорости, патент № 2098766](/images/patents/374/2098766/2098766-17t.gif)
![способ определения истинного курса с помощью гироскопического датчика угловой скорости, патент № 2098766](/images/patents/374/2098766/2098766-18t.gif)
Для определения истинного курса по полученным соотношениям (9) необходимо соблюдение фазировки знака изменения сигнала с эталонного сопротивления ДУС, обусловленного изменением проекции горизонтальной составляющей скорости вращения Земли на измерительного ось гироскопа с направлением азимутального поворота его корпуса. Так при повороте корпуса гироскопа против часовой стрелки на угол 90o из положения, при котором измерительная ось направлена на Восток, приращение сигнала с эталонного сопротивления гироскопа должно быть положительным. Это обстоятельство обусловлено использованием при выводе соотношения (9) принятого в математике закона изменения функции синуса. В рассматриваемом методе в соответствии с выражением (8) погрешность определения курса имеет вид
![способ определения истинного курса с помощью гироскопического датчика угловой скорости, патент № 2098766](/images/patents/374/2098766/2098766-19t.gif)
В предельном случае при N+1 _
![способ определения истинного курса с помощью гироскопического датчика угловой скорости, патент № 2098766](/images/patents/374/2098348/8594.gif)
![способ определения истинного курса с помощью гироскопического датчика угловой скорости, патент № 2098766](/images/patents/374/2098292/8734.gif)
![способ определения истинного курса с помощью гироскопического датчика угловой скорости, патент № 2098766](/images/patents/374/2098766/2098766-20t.gif)
или подставляя в (11)
![способ определения истинного курса с помощью гироскопического датчика угловой скорости, патент № 2098766](/images/patents/374/2098011/916.gif)
![способ определения истинного курса с помощью гироскопического датчика угловой скорости, патент № 2098766](/images/patents/374/2098204/936.gif)
![способ определения истинного курса с помощью гироскопического датчика угловой скорости, патент № 2098766](/images/patents/374/2098204/936.gif)
![способ определения истинного курса с помощью гироскопического датчика угловой скорости, патент № 2098766](/images/patents/374/2098766/2098766-21t.gif)
Применяя приближенный численный метод трапеций вычисления выражения (12) для используемых выше параметров датчики угловой скорости определялась курсовая погрешность в предлагаемом методе в зависимости от курса, которая показана на фиг.1. Из зависимости 2, показанной на фиг.1, видно, что в предлагаемом способе курсовая погрешность при проведший измерений и приведении полученных курсовых углов в диапазоне [0,2
![способ определения истинного курса с помощью гироскопического датчика угловой скорости, патент № 2098766](/images/patents/374/2098016/960.gif)
в операции предварительной настройке датчика угловой скорости указана последовательность действий по фазировке снимаемого с эталонного сопротивления сигнала и направления поворота его корпуса, что является необходимым условием для применения форельных соотношений как в известном, так и в предлагаемом способе,
искомое значение курса определяется как среднее значение приведенных курсовых, углов, определенных в угловом диапазоне [0,2
![способ определения истинного курса с помощью гироскопического датчика угловой скорости, патент № 2098766](/images/patents/374/2098016/960.gif)
![способ определения истинного курса с помощью гироскопического датчика угловой скорости, патент № 2098766](/images/patents/374/2098016/960.gif)
Класс G01C21/14 путем записи курса, проходимого объектом